采用EPIC技術(shù)的可編程密碼處理器設(shè)計(jì)

　　目前，在多數(shù)保密通信沒備中，主要采用通用CPU和專用硬件電路控制密碼專用芯片來實(shí)現(xiàn)兩種方式的密碼運(yùn)算。采用前者控制密碼專用芯片時(shí)，需要選用一種具有靈活性高、維護(hù)容易、升級(jí)方便等特點(diǎn)的性能優(yōu)良的通用微處理器GPP(General Purpose Processor)，但由于通用微處理器指令的局限性，使密碼專用芯片達(dá)不到其最佳性能，嚴(yán)重影晌了保密通信的速度;采用專用硬件電路直接控制密碼專用芯片，雖然可使密碼專用芯片的性能達(dá)到最高，但由于其功能只依賴于密碼專用芯片及其外圍器件，使得靈活性差、開發(fā)周期比較長(zhǎng)。

　　由此可見，無論采用上面哪種方式，由于密碼專用芯片的運(yùn)算處理與控制分離，限制了密碼數(shù)據(jù)處理性能，制約了系統(tǒng)整體速度。針對(duì)上述問題，通過分析多種密碼算法，本文提出一種基于處理器設(shè)計(jì)思想的顯式并行指令計(jì)算結(jié)構(gòu)(EPIC的可編程密碼處理器架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了速度與靈活性的折衷。

　　1 密碼算法分析

　　1.1 典型的密碼算法及其應(yīng)用

　　現(xiàn)針對(duì)七種分組密碼算法和兩種雜湊函數(shù)即DES、IDEA、Rijndael、RC6、Serpent、Twofish、Mars、MD5和SHA進(jìn)行分析。

　　分組密碼算法是一個(gè)將比特明文映射成n比特密文的雙射函數(shù)，n為其分組長(zhǎng)度，它的加密與解密過程具有相同的密鑰，因此又稱為對(duì)稱密碼算法。而雜湊函數(shù)是一種將任意長(zhǎng)度的消息壓縮為某一固定長(zhǎng)度的消息摘要的函數(shù)，它主要用十?dāng)?shù)字簽名、消息的完整性檢測(cè)和消息的起源認(rèn)證檢測(cè)等方面。

　　DES算法(數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn))是第一代公開的完全說明實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的被世界公認(rèn)的分組密碼算法。其最初設(shè)計(jì)者是IBM公司，并取得了它的專利權(quán)。在隨后的二十多年中，DES算法作為一種典型的分組密碼算法，被廣泛地應(yīng)用于保護(hù)商業(yè)數(shù)據(jù)的安全(如銀行系統(tǒng)等)。

　　IDEA算法(國(guó)際數(shù)據(jù)加密算法)公布于1992年，足IPES標(biāo)準(zhǔn)，因廣泛應(yīng)用于email加密認(rèn)證軟件(PGP)中而聞名。

　　Riindael是1998年公布的，并于2000年在由NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所)主持的AES評(píng)選中獲勝，此后Rijndael算法也稱為AES算法，成為逐漸代替DES的新的加密標(biāo)準(zhǔn)。

　　RC6、Serpent、Twofish和Mars算法是與Rijndael算法一起參評(píng)的AES候選算法，它們都不同程度地體現(xiàn)了分組密碼算法的設(shè)計(jì)原則，對(duì)應(yīng)用密碼學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響。

　　MD5消息摘要函數(shù)是由RSA算法的設(shè)計(jì)者之一Rivest提出的一種單向散列函數(shù)，它不基于任何假設(shè)和密碼體制，采用了直接構(gòu)造的方法，處理速度非常快。

　　SHA是1993年公布的聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn)(FIPS-180)的安全散列標(biāo)準(zhǔn)，由NIST提出并于1995年推出了其修訂版，通稱為SHA-1。

　　1.2 密碼算法中的基本操作

　　在分析上述算法的基礎(chǔ)上，提取出各個(gè)算法的核心操作類型，并總結(jié)出它們的基本操作分別為以下六類：S盒操作、比特置換操作、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、移位操作和有限域乘法運(yùn)算。其中算術(shù)運(yùn)算包括模加/減和模乘運(yùn)算，邏輯運(yùn)算則由‘與 i、‘或 i、‘非 i和‘異或 i組成，表1詳細(xì)列出了它們?cè)诟鞣N算法中的具體應(yīng)用，如DES算法中主要使用了S盒操作、比特置換、異或和移位操作。

　　2 可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　在典型的可編程密碼處理器結(jié)構(gòu)(AFPC)中，EPIC結(jié)構(gòu)開發(fā)的是標(biāo)量操作之間的隨機(jī)并發(fā)性，并且增加了功能部件的個(gè)數(shù)。不相關(guān)的指令由編譯顯式地編入到一個(gè)超長(zhǎng)的機(jī)器指令字中，并發(fā)射到流水線，在各個(gè)功能部件中并發(fā)執(zhí)行，指令級(jí)并行度為4～8。這種結(jié)構(gòu)的硬件控制相對(duì)簡(jiǎn)單，在計(jì)算密集型應(yīng)用時(shí)內(nèi)在并行性很明顯。且不需要很多轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)。在這種結(jié)構(gòu)上運(yùn)行指令能夠達(dá)到較高的實(shí)際指令級(jí)并行度。正是由于以上特點(diǎn)，EPIC結(jié)構(gòu)在很大程度上符合了密碼算法的需求，即計(jì)算密集且順序執(zhí)行。

　　可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)的硬什結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)處理器包括三部分：數(shù)據(jù)通路、控制單元和輸入/輸出接口電路。

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　　數(shù)據(jù)通路是處理器的關(guān)鍵部件之一，包含F(xiàn)UO～FU5共6個(gè)可并行執(zhí)行的功能單元、32個(gè)32bit通用寄存器、4×32個(gè)32bit密鑰寄存器和回寫單元。

　　功能單元是處理器執(zhí)行指令運(yùn)算的核心，由若干個(gè)密碼運(yùn)算模塊組成。其中，F(xiàn)UO～FU3內(nèi)部運(yùn)算模塊的組成與結(jié)構(gòu)完全相同，輸入為3個(gè)32bit運(yùn)算數(shù)據(jù)，其中2個(gè)來自通用寄存器堆、1個(gè)來自密鑰寄存器堆，輸出的運(yùn)算結(jié)果亦為32bit。FUO～FU3內(nèi)部分別設(shè)置了7個(gè)運(yùn)算模塊，分別為S盒運(yùn)算模塊、模加，減運(yùn)算模塊、模乘運(yùn)算模塊、32bit移位運(yùn)算模塊、有限域乘法運(yùn)算模塊、二輸入邏輯運(yùn)算模塊、三輸入邏輯運(yùn)算模塊。FU4內(nèi)部設(shè)置了1個(gè)128bit，置換運(yùn)算模塊，輸入為12個(gè)32bit運(yùn)算數(shù)據(jù)，其中8個(gè)來自通用寄存器堆，4個(gè)來自密鑰寄存器堆。FU5內(nèi)部設(shè)置了1個(gè)128bit移位運(yùn)算模塊，輸入也為12個(gè)32bit運(yùn)算數(shù)據(jù)，其中8個(gè)來自通用寄存器堆，4個(gè)來自密鑰寄存器堆。

　　上述這些運(yùn)算模塊功能不是單一的，而是可重構(gòu)的。表2中給出了4個(gè)可重構(gòu)運(yùn)算模塊所支持的模式。

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　　除了上述運(yùn)算模式可重構(gòu)外，各運(yùn)算模塊根據(jù)具體情況還支持運(yùn)算前增加‘異或 i操作、運(yùn)算后增加‘異或 i操作或者運(yùn)算前后都增加‘異或 i操作。由于‘異或 i操作延時(shí)很小，它的加入并不影響運(yùn)算的關(guān)鍵路徑，這就使得密碼運(yùn)算時(shí)減少了單一‘異或 i操作的時(shí)鐘，從而減少了整個(gè)運(yùn)算的時(shí)鐘數(shù)，并且不影響整體性能。表3中給出了Rijndael算法輪運(yùn)算流程，采用有限域乘法運(yùn)算后加入‘異或 i操作，時(shí)鐘周期數(shù)由4減為3，10輪運(yùn)算將減少10個(gè)時(shí)鐘周期。

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　　控制單元完成指令存取、指令譯碼、指令存儲(chǔ)器地址生成等工作，協(xié)調(diào)處理器內(nèi)部指令與外部用戶命令正確執(zhí)行。

　　輸入/輸出接口電路包括16個(gè)32bit輸入寄存器、16個(gè)32bit輸出寄存器、4個(gè)數(shù)據(jù) 長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器、1個(gè)32bit命令寄存器等，完成指令、運(yùn)算數(shù)據(jù)從32bit數(shù)據(jù)總線裝載到指令存 儲(chǔ)器和輸人寄存器以及運(yùn)算結(jié)果從內(nèi)部通用寄存器寫入輸出寄存器等操作。

　　3 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　指令系統(tǒng)是算法要素和密碼處理器體系結(jié)構(gòu)特性的集中體現(xiàn)，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須支 持硬件的并行執(zhí)行，即開發(fā)指令級(jí)并行性(ILP)，指令級(jí)并行性的開發(fā)程度對(duì)發(fā)揮密碼微處理器的硬件特性，提高程序運(yùn)行性能至為關(guān)鍵。ILP技術(shù)實(shí)際上是指一套完整的處理器設(shè)計(jì)和編譯技術(shù)，這些技術(shù)通過并行地執(zhí)行獨(dú)立的機(jī)器操作(如存儲(chǔ)器讀寫、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算等)來加速程序的執(zhí)行。ILP的大小可以采用每周期平均執(zhí)行的指令數(shù)(IPC)朱衡量，或者采用整個(gè)程序的每條指令平均執(zhí)行的周期數(shù)CPI(CPT=l/IPC)來衡量。在可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)中采用了顯式并行指令計(jì)算結(jié)構(gòu)，指令級(jí)并行數(shù)達(dá)到5。

　　3.1 指令分類

　　可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)中的指令分為以下幾類：

　　(1)靜態(tài)配置指令。它是在密鑰生成及加/解密過程中保持不變或者改變次數(shù)很少的控制信息配置指令，算法確定后，其S盒查找表信息、有限域乘數(shù)矩陣和不可約多項(xiàng)式、若干個(gè)置換的控制信息等就確定了，它們不會(huì)因?yàn)椴僮髂Ｊ讲煌淖儭Ｔ诩?解密過程中采用將配置指令分離出來的方法，可以大大減少執(zhí)行密碼運(yùn)算時(shí)指令的冗余編碼，從而縮短了指令字的長(zhǎng)度，增加了運(yùn)算指令字中包含有效操作的個(gè)數(shù)，有效地提高了加/解密速度并減少了密碼程序的代碼量。

　　(2)短指令。它執(zhí)行除置換與128bit移位運(yùn)算外的各種密碼運(yùn)算和內(nèi)部寄存器問的數(shù)據(jù)傳輸操作。

　　(3)長(zhǎng)指令。它執(zhí)行置換與128bit移位運(yùn)算。

　　(4)超長(zhǎng)指令。它執(zhí)行立即數(shù)操作和多分支判斷操作。

　　(5)控制指令。它執(zhí)行程序跳轉(zhuǎn)、子程序調(diào)用及返回、單分支判斷等控制操作。

　　3.2 指令形態(tài)

　　在硬件上，多個(gè)功能單元的設(shè)置為多條指令的并行執(zhí)行提供了支持，而哪些指令可以并行執(zhí)行，哪些指令不能并行執(zhí)行以及如何將多條指令組裝成一條指令的原則，即稱為指令的拼裝規(guī)則。在此設(shè)計(jì)中有以下幾種指令形態(tài)：

　　(1) 靜態(tài)配置指令。

　　(2) 超長(zhǎng)指令。

　　(3) 短指令Ⅱ短指令Ⅱ短指令Ⅱ短指令ll控制指令。

　　(4) 長(zhǎng)指令Ⅱ控制指令。

　　其中短指令長(zhǎng)度為37bit，控制指令長(zhǎng)度為32bit，長(zhǎng)指令長(zhǎng)度為148bit。無論上述哪種形態(tài)，最終的指令字長(zhǎng)度都為192bit(包括指令拼裝標(biāo)識(shí))，如四個(gè)短指令可以與控制指令拼裝成一條指令，長(zhǎng)指令也可以與控制指令拼裝成一條指令，但靜態(tài)配置指令與超長(zhǎng)指令不能與其他指令拼裝，自身組成一個(gè)192bit的指令字。

　　4 性能分析

　　由于可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)支持5條指令綁定并行執(zhí)行，因此其數(shù)據(jù)路徑定義為5CS(5Combining-Strands)，假設(shè)不采用綁定的數(shù)據(jù)路徑定義為NCS(No-Combining-Strands)，將這兩種情況與Alpha處理器、Cryp-toManiac密碼處理器[9]路程進(jìn)行比較，四種數(shù)據(jù)路徑下加/解密所需時(shí)鐘數(shù)如表4所示。分析比較表明可編程密碼處理器執(zhí)行時(shí)鐘大量減少，尤其與通用處理器Al-pha相比，加/解時(shí)鐘數(shù)DES算法減少83%，IDEA算法減少92%，Rijndael算法減少9l%，RC6算法減少69%，Twofish算法減少78%。

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　　為了驗(yàn)證可編程密碼處理器體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通路和控制通路的正確性，使用Altera StraTIxlIEP2S180F1508C4器件作為FPCA目標(biāo)芯片，使用AlteraQuartusII 5.0工具進(jìn)行綜合，在綜合前和綜合后使用Mentor公司的ModelSim 5.8c分別進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真，結(jié)果均正確。其具體資源占用情況如表5所示。

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　　密碼處理的靈活性和高效性一直是密碼算法使用中的制約因素，采用通用微處理器雖然能獲得較好的靈活性，但卻使一些算法的性能達(dá)不到要求;采用專用算法芯片，在獲得很高性能的同時(shí)喪失了靈活性。本文針對(duì)這一矛盾以EPIC結(jié)構(gòu)微處理器構(gòu)架為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)地研究了通用的并行分組密碼處理器模型、各種密碼運(yùn)算單元、指令集等關(guān)鍵技術(shù)，并最終得以實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)性能與靈活性之間的良好折衷。