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面向分组密码的四维度并行处理架构研究

更新时间：2019-12-24 06:47:19 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：四维度并行处理架构 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

通过对分组密码算法加密特征的分析,将分组密码算法的并行性划分为分组内同操作并行性、分组内异操作并行性、分组间同操作并行性和分组间异操作并行性等四维度并行性,并根据此提出了基于Amdahl定律的分组密码四维度并行处理模型FDPM.该模型能够指导分组密码处理架构设计,为架构资源配置和并行性开发提供整体建议.以FDPM为依据,提出了一种面向分组密码的可重构流处理架构RCSA,该架构能够有效开发分组密码处理的并行性,在提高密码处理性能的同时也能提高资源利用率.通过算法映射结果分析,证明了FDPM模型的正确性与RCSA架构的高效性.


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10  
Vol． 45 No． 10  
Oct． 2017  
第
期
电
子
学
报
2017  
10  
ACTA ELECTRONICA SINICA  
年
月
面向分组密码的四维度并行处理架构研究  
1
1，2  
1
1
， ， ，  
王寿成 李功丽 严迎建 徐进辉  
( 1．  
，
解放军信息工程大学 河南郑州  
450001; 2．  
，
河南师范大学计算机信息工程学院 河南新乡  
453002)  
:
， 、  
通过对分组密码算法加密特征的分析 将分组密码算法的并行性划分为分组内同操作并行性 分组内  
摘
要
、 ，  
异操作并行性 分组间同操作并行性和分组间异操作并行性等四维度并行性 并根据此提出了基于  
Amdahl  
定律的分  
FDPM．  
，
该模型能够指导分组密码处理架构设计 为架构资源配置和并行性开发提供整体  
组密码四维度并行处理模型  
FDPM  
．
建议 以  
， RCSA，  
为依据 提出了一种面向分组密码的可重构流处理架构 该架构能够有效开发分组密码处理的  
， ． ，  
并行性 在提高密码处理性能的同时也能提高资源利用率 通过算法映射结果分析 证明了  
FDPM  
模型的正确性与  
RCSA  
．
架构的高效性  
:
; Amdahl  
;
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
分组密码  
定律 四维度并行处理 流体系结构 加速比  
0372-2112 ( 2017) 10-2457-07  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2017． 10． 021  
:
TP309. 7  
:
A
:
文章编号  
文献标识码  
电子学报  
Four Dimensions Parallel Processing Architecture for Block Cipher  
1
1，2  
1
1
WANG Shou-cheng ，LI Gong-li ，YAN Ying-jian ，XU Jin-hui  
( 1． PLA Information Engineering University，Zhengzhou，Henan 450001，China;  
2． College of Computer ＆ Information Engineering，Henan Normal University，Xinxiang，Henan 453002，China)  
Abstract: According to the characteristics of block cipher algorithm，the parallelism of block cipher algorithm can be  
divided into Four Dimensions Parallelism( FDP) ，which consists of same operational parallelism in a block，different opera-  
tional parallelism in a block，same operational parallelism among multiple blocks and different operational parallelism among  
multiple blocks． Four Dimensions Parallel Processing Model ( FDPM ) for block cipher based on Amdahl’s law was pro-  
posed，which can guide the design of block cipher processing architecture and provide the overall suggestions for resource al-  
location and parallelism development． And then Reconfigurable block Cipher Stream Architecture ( RCSA) based on FDPM  
was proposed，which can effectively develop parallelism of block cipher and improve processing performance and the utiliza-  
tion rate of resources． The experimental results prove the veracity of FDPM and efficiency of RCSA．  
Key words: block cipher; Amdahl’s law; four dimensions parallel processing; stream architecture; speedup  
国内外针对分组密码算法的并行处理进行了一系  
1
引言  
． Michael G  
列研究  
等提出的可重构密码多核处理器  
32 bit 8 bit  
［1］  
，
作为保障网络与信息安全的有效手段 分组密码  
MCCP  
务调度器 多核间可实现密码处理的分组间并行 能够  
ECB  
4
1
集成了  
个
的处理核心和 个  
的任  
、 /  
算法在数据加密 数字签名 认证及密钥管理等方面广  
，
，
，
泛应用 其高效实现直接影响网络与信息通信系统的  
．
有效提升算法  
加密性能 孟涛等提出了一种基于  
路并行可重构分簇式分组密码处理架构  
32 bit、2 64 bit  
． ，  
性能 并行计算作为实现高性能计算的重要技术 通过  
VLIW  
4
的
［2］  
，
开发分组密码算法的并行性使加密操作同时执行 能  
RCBCP  
，
4
个
该架构可灵活重构为  
个
．
够实现算法加密的并行加速 因此针对分组密码算法  
1
128 bit  
，
数据通路 能够实现不同密码算法的分  
和
个
，
并行处理的研究越来越多 如何充分挖掘分组密码算  
，
组内 或 分 组 间 并 行 其 加 密 性 能可 达 到 数 百  
Mbps．  
，
法固有的并行性 如何设计分组密码高效的并行处理  
Gokhan S Cryptorap-  
等提出的可重构阵列结构处理器  
［3］  
，
架构 已经成为了信息安全领域的重要研究问题  
．
tor  
，
集成了  
80  
PE，  
个可重构功能单元 能够有效开发  
: 2016-04-28;  
: 2016-10-18; :  
责任编辑 李勇锋  
收稿日期  
修回日期  
:
基金项目 国家自然科学基金  
( No． 61404175)  
2458  
2017  
年
电
子
学
报
，
分组密码算法处理的并行性 对  
AES、DES、KASUMI  
算
6. 4 Gbps、2. 67 Gbps 1. 0 Gbps．  
和
法的实现性能达到了  
， ［4，5］ ，  
此外 文献 也提出了一些分组密码处理架构 但  
，
上述架构均不能充分开发分组密码算法的并行性 并  
．
且普遍存在资源利用率较低的情况  
为充分挖掘分组密码算法处理的并行性并提高资  
，
源利用率 将分组密码的并行性划分为四维度并行性  
，
Amdahl  
并结合  
间和加速比 根据此提出了基于  
FDPM  
定律定量分析了各维度并行性的执行时  
．
Amdahl  
定律的分组密  
FDPM  
的可重构  
［8］  
，
要扩展资源 主要的实现方式为软件流水技术  
．
码四维度并行处理模型  
和基于  
w ，  
假设密码算法程序共有 个操作 每个操作的执  
RCSA，  
并分别进行了  
AES、DES、I-  
分组密码流处理架构  
DEA、SAFER + 、SMS4  
，
行时间为 Δ 则其串行执行的时间  
t = w ．  
Δ 若只开发  
s
FOX64  
和
算法的映射和性能分  
ISP， ( R，R  
i
设第 个操作的并行度为 α α ≤ 为可并行执  
i
，
析 全面评估  
RCSA  
．
i
的算法适配能力和算法实现性能  
AES RCSA  
) ， ISP  
则
:
行资源数  
并行执行的时间为  
，
此外 本文还进行了  
算法在  
各规模结构下的  
w
Δ
，
面积能效比计算和比较 并提出了  
FDP  
并行性的开发  
t
=
( 2)  
ISP  
∑
α
i = 1  
i
．
优先顺序  
Amdahl  
，ISP  
:
的加速比为  
根据  
定律  
2
FDPM  
四维度并行处理模型  
t
w
w
Δ
s
Sp  
=
=
=
( 3)  
ISP  
w
w
t
1
Δ
ISP  
算法程序可分解为串行执行部分和多种并行度的  
∑
∑
α
α
i
i = 1  
i = 1  
i
，
并行执行部分 采用并行架构对并行执行部分加速能  
IDP，  
i (  
设第 个操作的并行度为 β β ≤  
i
若只开发  
i
． Amdahl  
“
定律指出 系统采用并行处理  
够提升系统性能  
N ，N  
op  
) ， IDP  
则 并行执行的时  
为可并行执行异操作数  
op  
技术后所能获得的性能提升受限于系统中并行化部分  
:
间为  
”，  
所占比例 并使用加速比  
( Speedup，Sp)  
来衡量并行架  
w
Δ
． Amdahl  
:
定律如下  
构的并行处理能力和加速性能  
t
=
( 4)  
IDP  
∑
β
i = 1  
i
t
并行加速前  
Sp =  
( 1)  
Amdahl  
，IDP  
:
的加速比为  
根据  
定律  
t
并行加速后  
t
w
w
Δ
s
［6］ ［7］  
文献 和文献 指出分组密码算法处理具有两  
Sp  
=
=
=
( 5)  
IDP  
w
w
t
1
Δ
IDP  
，
个方向的并行性 分别是分组内并行性  
( Parallelism In  
∑
∑
β
i = 1  
β
i = 1  
i
i
Block，IP) ( Parallelism Among Blocks，  
和分组间并行性  
通过对大量分组密码算法的结构和特征进行分析  
ISP  
IDP ， i  
两种并行性 此时第 个操  
若同时开发  
和
AP) ．  
， IP  
作的并行度为 α β 则 并行执行的时间为  
i
:
i
， ，  
发现 分组密码算法处理的并行性可以进一步划分 如  
w
Δ
1、 2  
图
，IP  
t
=
( 6)  
图
所示  
并行性可以划分为组内同操作并行  
和组内异  
( Different Operational Parallelism In Block，  
IP  
∑
α β  
i
i = 1  
i
( Same Operational Parallelism In Block，ISP)  
性
Amdahl  
，IP  
:
加速比为  
根据  
定律  
操作并行性  
t
w
w
Δ
s
Sp  
=
=
=
( 7)  
IDP) ，AP  
( Same  
并行性可以划分为组间同操作并行性  
IP  
w
w
t
1
Δ
IP  
Operational Parallelism Among Blocks，ASP)  
和组间异操  
( Different Operational Parallelism Among  
∑
∑
α β  
i
α β  
i i  
i = 1  
i = 1  
i
作 并 行 性  
AP  
ECB  
并行性负责开发  
加密模式下或交错技术  
下的分组间并行性 主要通过扩展可同时执行分组数  
2( a) ，ASP  
Blocks，ADP) ．  
本文将上述四种并行性合称为分组密码  
( Four Dimensions Parallelism，  
，
算法处理的四维度并行性  
．
实现性能提升 如图  
通过扩展可并行执行资  
FDP) ． Amdahl  
下文将结合  
行性的执行时间和加速比  
IP  
定律分别定量分析各维度并  
，
源来实现多个分组的并行执行 其并行度取决于资源  
．
．
数量 如图  
2( c) ，  
若开发  
IDP  
，
，
后 软件流水线仍有空闲  
AP ，  
并行性 此时不需要扩  
并行性旨在开发分组内可并行执行部分的并行  
ADP  
则可以通过  
进一步开发  
．
1( a) ，ISP  
，
性 如图  
论上只要资源足够就可以通过  
1( c) ， ISP  
通过扩展可并行执行资源来实现 理  
，
展资源 能够实现在提高资源利用率的同时有效提升  
ISP IP  
完全开发  
IP  
并行性时  
并行  
，IDP  
可
．
系统性能  
．
性 如图  
当
未完全开发  
t ．  
b
ASP，  
假设单密码分组的执行时间为  
若只开发  
IP  
，
并行性 此时不需  
以通过指令级并行来进一步开发  
(
设分组并行度为 μ μ  
= R，R  
) ，  
为可并行执行资源数 则  

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