统一架构的ECC与RSA密码处理器的设计

摘要

近年来,随着互联网技术的飞速发展,信息安全已成为亟待解决的问题。使用公钥密码体制是提高信息安全性的重要方法。硬件实现的密码系统由于其诸多优势成为新的研究热点。本文在对多种公钥密码硬件实现算法进行了研究的基础上,提出了一种针对素域及二元域ECC和RSA公钥密码系统所设计的硬件密码协处理器架构,从硬件上实现了对高性能密码算法的支持。
　　首先,本文通过对RSA算法及ECC算法具体运算流程的分析,总结出了模乘运算是制约它们计算速度的共同计算瓶颈,解决模乘的速度问题是提高RSA和ECC计算速度的最根本方法。然后,为了消除一般模操作中影响速度的除法,引入了蒙哥马利算法作为模乘的基本算法,并介绍和分析了多种改进的蒙哥马利模乘算法,针对硬件实现的目标,确定了基于CIOS算法进行硬件设计的思路。另外,为了能够同时支持一般素域和二元域两种ECC常用的有限域,对CIOS算法做出了调整和改进。最后,提出了密码协处理器的总体硬件架构,设计了系统的运算、存储和控制三大模块以及三个模块间的互联方式,运算部分中设计了支持双域的乘法器,因此可以实现同时支持素域和二元域下的模乘计算。
　　最终的实验结果表明,本文所优化的双域CIOS算法能够正确的完成所要求的运算,设计出的硬件能够完成模幂及模乘功能,因此,本文提出的算法改进和硬件架构设计方案是可行的。本文设计的密码协处理器,能够完成192bit、256bit、512bit、1024bit四种数据位宽的模乘和模幂的计算,在100MHz的主频下,完成256bit素域模乘、256bit二元域模乘和1024bit模乘所需的时间分别为0.92、0.82和7.3微秒。所有硬件模块在SMIC0.18微米CMOS工艺库下的综合面积为68K门。具有较好的速度面积比。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究工作及内容安排

第二章 公钥密码系统概述

2.1 公钥密码体制

2.2 公钥密码算法RSA

2.3 椭圆曲线密码算法

2.4 本章小结

第三章 系统算法设计

3.1 蒙哥马利模乘算法

3.2 蒙哥马利模乘改进算法

3.2 双域CIOS算法

3.3 模幂算法

3.4 模逆算法

3.5 本章小结

第四章 系统硬件设计

4.1 系统总体架构

4.2 运算模块

4.3 存储模块

4.4 控制模块

4.5 本章小结

第五章 实验结果及分析

5.1算法验证与分析

5.2硬件验证结果

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢