RSA软硬件协同设计的研究与实现

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1、工程硕士学位论文RSA软硬件协同设计的研究与实现作者姓名李泽祥工程领域硕士校内指导教师吴朝晖副教授校外指导教师叶晖工程师所在学院电子与信息学院论文提交日期2017年12月ResearchandimplementationofRSAhardware/softwarecodesignADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZexiangLiSupervisor：Prof.ZhaohuiWuSeniorEngineerHuiYeSouthChinaU

2、niversityofTechnologyGuangzhou,China摘要由于公钥密码学在密钥管理、身份认证和数字签名方面有着天然的优越性，使其在现代密码系统中扮演着不可替代的角色。RSA是公钥加密算法中最具有代表性的一种，可以同时用于数字签名和公钥加密，是当前公认的使用最广泛的一种公钥加密方式。但是RSA中原本为了保证安全性而设计的大数运算，在保证了安全性的同时也给传统的软件计算方式带来了很大负担。RSA秘钥越长软件计算速度就越慢。因此业界学者集中于研究RSA的硬件高速实现，对于最新的研究成果中，已有每

3、秒完成上千次1024位RSA的案例，如此高的运算速度源于硬件内部的并行算法优化，固定的优化方式很容易受到旁道攻击。而软硬件协同设计的RSA算法在具有较高运算速度的前提下，带来纯硬件实现RSA算法所没有的灵活性，并且可以降低硬件的资源消耗，是当前研究的热点。本文基于RSA的软硬件协同设计，针对两种软硬件实现RSA算法的方案进行了研究。对于硬件完成模幂运算的方案中，本文对RSA算法进行分析和改进，最终结果能达到120M时钟下每秒完成56.36次2048位秘钥的RSA解密运算（信息位1024位），并且随之设计了软

4、件算法程序和测试程序，经过测试，软硬件功能和性能都达到了设计目标。对于硬件实现模乘的方案中，本文提出了利用模乘阵列来实现高吞吐量的RSA运算。针对设计的模乘阵列，设计了软硬件之间的高速数据通信PCIe接口，解决了软硬件通信接口速率限制系统运行速度的问题。并且设计了模乘阵列的高效率低功耗调度策略，得到正确的仿真结果。关键词：RSA加密；软硬件协同设计；模幂运算；模乘运算；模乘阵列；PCIeAbstractBecausepublickeycryptographyhasitsnaturaladvantagesin

5、keymanagement,identityauthenticationanddigitalsignature,itplaysanirreplaceableroleinmoderncryptography.RSAisoneofthemostrepresentativepublickeyencryptionalgorithms.Itcanbeusedbothfordigitalsignatureandpublickeyencryption.Itisthemostwidelyusedpublickeyencry

6、ptionmethodatpresent.ButtherearemanytimesoflargenumberalgorithminRSA,thatbringsagreatburdenthetraditionalsoftwarecalculationmode,especiallywiththeRSAkeylengthbecomemoreandmorelonger,thetraditionalsoftwarecalculationmodehasbeendifficulttomeetthepracticalnee

7、ds.Sonowadays,studiesarefocusonthehardwarehighspeedimplementation.Thelatestresearchresultshascompletedthousandsoftimespersecondwith1024bitssecretkeyinRSA.ButthehardwareimplementationofRSAisfixed,notonlythecalculationwayofprisonisnotvariable,itisdifficultto

8、supportdifferentlengthofthesecretkey.TheRSAalgorithmofhardware/softwarecodesignhashighspeed,bringstheflexibilityatthesametime,andreducestheresourceconsumptionofhardware,whichisthecurrentresearchhotspot.Thispa