安全哈希算法的并行化實現(xiàn)研究.pdf

1、安全哈希算法是密碼學(xué)的基礎(chǔ)算法，廣泛用于數(shù)據(jù)完整性校驗、密碼保存、文件識別、偽隨機數(shù)發(fā)生器、數(shù)字簽名等，具有重要的應(yīng)用價值。常見的哈希算法結(jié)構(gòu)包括Merkle-Damg(a)rd結(jié)構(gòu)、HAIFA結(jié)構(gòu)、Sponge結(jié)構(gòu)和寬管道結(jié)構(gòu)，通過對常見的哈希算法結(jié)構(gòu)的考察發(fā)現(xiàn)，它們在整體上都是線性的，也就是說，消息塊總是按照順序被依次處理，后面的消息塊的處理要依賴于前面消息塊的計算結(jié)果，無法提前進(jìn)行計算。當(dāng)消息長度很大時，線性的結(jié)構(gòu)成為限制計算效率

2、的瓶頸，線性哈希結(jié)構(gòu)使得多核處理器無法使用多個計算單元對消息并行處理，多核處理器的處理能力無法得到充分的發(fā)揮。針對這一問題，Skein算法定義了樹形哈希模式，使得算法的并行性大大提高。
　　本文致力于研究樹形哈希模式的并行處理結(jié)構(gòu)。以Skein算法為例，進(jìn)行了算法分析，系統(tǒng)建模，硬件架構(gòu)設(shè)計等各項工作，提出了一種實現(xiàn)樹形哈希模式的并行處理平臺。該平臺以互連網(wǎng)絡(luò)為中心，由若干個運算單元、若干個存儲單元和一個控制器組成。每個運算單元都

3、能夠獨立完成線性哈希運算，控制器通過控制總線向運算單元分配任務(wù)，協(xié)調(diào)運算單元的工作，通過基本的線性哈希運算的組合，能夠完成樹形哈希算法的運算。互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計允許多對多的并發(fā)訪問，結(jié)合分立存儲單元的設(shè)計，使得多個運算單元可以同時訪問存儲系統(tǒng)的不同位置?？傮w來說，該并行架構(gòu)的設(shè)計解決了并行處理系統(tǒng)設(shè)計中面臨的存儲、互連和任務(wù)調(diào)度三個方面的問題。
　　該平臺不僅能夠高效執(zhí)行Skein算法，而且在任務(wù)劃分與調(diào)度、片上存儲與互連、硬件加速等

4、方面對于樹形模式的各類哈希算法具有普遍的借鑒意義。本文提出的并行架構(gòu)經(jīng)過FPGA功能驗證，并且在TSMC65nm工藝下進(jìn)行綜合，結(jié)果顯示，系統(tǒng)占用的面積為1.3mm2，最高工作頻率達(dá)到833MHz，功耗66mW，估計吞吐率約為40Gbps，各項指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期。研究并行哈希的性能提升是本文的另一個重點，為此，本文根據(jù)系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度情況，提出了Skein樹形哈希算法的性能模型。模型分析顯示，和傳統(tǒng)的線性哈希相比，使用多個運算單元來完成樹形