一種可擴展的區(qū)塊鏈專用協(xié)處理器架構
發(fā)布時間：2022-01-22 03:57
隨著區(qū)塊鏈技術的發(fā)展,區(qū)塊鏈系統(tǒng)對區(qū)塊鏈底層的密碼學算法等復雜運算的處理速度要求越來越高。雙重哈希、默克爾樹中哈希函數的連續(xù)計算、混合加密算法的組合運算等是區(qū)塊鏈系統(tǒng)中經常出現的底層運算。為了處理這些運算,處理器頻繁地訪問寄存器和存儲器,會使外設對總線的競爭加劇,隨之引起延時變長和性能降低。為了解決這一問題,提出了一種可擴展的區(qū)塊鏈專用協(xié)處理器架構:（1）內置的指令緩存和數據緩存使獲得數據的路徑變短,進而加快了處理速度;同時,外設對總線的競爭也有所緩解。（2）取指路徑和取數路徑都采取流水線方式,使數據處理可以不間斷地工作,也會提升處理速度。（3）哈希計算單元支持雙重哈希和多重哈希的計算,避免了計算的中間數據訪問存儲器和緩存,也使雙重哈希和多重哈希的計算速度加快。還對區(qū)塊鏈專用協(xié)處理器架構擴展到其他密碼學算法、圖像處理算法、神經網絡算法等的可能性做了探討。
【文章來源】：微納電子與智能制造. 2020,2(01)
【文章頁數】：8 頁
【部分圖文】：
比特幣默克爾樹
以太坊的信道加密機制，如圖2所示，采用橢圓曲線集成加密方案ECIES[21]。以太坊A節(jié)點向B節(jié)點發(fā)送數據時，對數據進行加密的過程如圖所示，包括：（1）利用偽隨機數產生器生成一個隨機數；（2）根據橢圓曲線加密算法，利用隨機數生成A節(jié)點的臨時非對稱密鑰對；（3）根據Key Agreement(KA）算法，利用A節(jié)點的臨時私鑰和B節(jié)點的公鑰生成對稱密鑰；（4）根據AES算法，利用對稱密鑰對要發(fā)送的消息進行加密；（5）把加密數據和A節(jié)點的臨時公鑰發(fā)送出去。以太坊B節(jié)點接收到數據后，對加密數據的解碼過程如圖2所示，包括：（1)B節(jié)點從接收到的數據中解析出A節(jié)點的臨時公鑰和加密消息；（2）根據KA算法，利用A節(jié)點的臨時公鑰和B節(jié)點的私鑰生成對稱共享密鑰；（3）根據AES算法，利用共享對稱密鑰解碼加密的消息，得到A節(jié)點要發(fā)送的元數據。A節(jié)點每次發(fā)送消息，都會產生一個隨機數，由之產生不同臨時密鑰對，進而產生不同的共享對產密鑰，這就保證了消息不會被黑客攔截只能由B節(jié)點接收。經過上述分析，區(qū)塊鏈系統(tǒng)底層牽涉到大量的密碼學算法。這些算法大體可以歸結為3類：（1）哈希算法，例如SHA2、SHA3等；（2）非對稱加密算法，例如ECC和RSA;(3）對稱加密算法，例如DES和AES等算法。另外，值得關注的是，雙重哈希、默克爾樹中哈希算法的連續(xù)計算、混合加密算法的組合運算是區(qū)塊鏈底層計算的重要特征。
鑒于區(qū)塊鏈底層計算具有默克爾樹中哈希算法的連續(xù)計算、混合加密算法的組合運算等特點，本文提出一種區(qū)塊鏈專用協(xié)處理器方案，定制協(xié)處理器的專用于區(qū)塊鏈的密碼學指令集，利用協(xié)處理器內部的指令緩存和數據緩存，不僅減少對內存的訪問，還減少了與其他應用對內存訪問的競爭，性能隨之相應如圖3所示，區(qū)塊鏈專用協(xié)處理器包括可由AXI-Lite總線讀寫的寄存器組（配置寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷控制寄存器）、指令DMA、含有緩存的取指單元、譯碼單元、數據DMA、含有緩存的數據讀寫單元和含有各種加密功能的執(zhí)行單元。以計算?特幣的默克爾樹根哈希為例，說明區(qū)塊鏈協(xié)處理器的工作原理。（1)CPU通過AXI-Lite總線初始化協(xié)處理器的寄存器組，使得協(xié)處理器知道指令在內存的首地址、待處理數據在內存的首地址和整個默克爾樹運算任務完成后結果數據的存儲地址。（2）根據協(xié)處理器指令首地址，取指單元向指令DMA請求從存儲器中讀指令數據；指令DMA讀到指令數據后，把指令數據存入取指單元的指令緩存，同時也傳給譯碼單元。（3）讀取指令的同時，根據待處理數據的首地址，數據讀寫單元向數據DMA發(fā)出讀數據請求；數據DMA讀到待處理數據后，存入數據讀寫單元的數據緩存。（4）經過譯碼得知，需要對數據緩存中的數據進行SHA256加密處理。（5）根據譯碼單元處理完的結果，同樣要存入數據讀寫單元的數據緩存中，以待下一次的處理。（6）如果后續(xù)指令是計算默克爾樹中間節(jié)點的哈希值，數據讀寫單元則從數據緩存中讀出對應中間節(jié)點的數據，交給執(zhí)行單元進行SHA256加密處理。（7）直到默克爾樹樹根哈希計算完成，數據DMA通過AXI總線把默克爾樹根哈希存儲到內存中。
本文編號：3601510
【文章來源】：微納電子與智能制造. 2020,2(01)
【文章頁數】：8 頁
【部分圖文】：
比特幣默克爾樹
以太坊的信道加密機制，如圖2所示，采用橢圓曲線集成加密方案ECIES[21]。以太坊A節(jié)點向B節(jié)點發(fā)送數據時，對數據進行加密的過程如圖所示，包括：（1）利用偽隨機數產生器生成一個隨機數；（2）根據橢圓曲線加密算法，利用隨機數生成A節(jié)點的臨時非對稱密鑰對；（3）根據Key Agreement(KA）算法，利用A節(jié)點的臨時私鑰和B節(jié)點的公鑰生成對稱密鑰；（4）根據AES算法，利用對稱密鑰對要發(fā)送的消息進行加密；（5）把加密數據和A節(jié)點的臨時公鑰發(fā)送出去。以太坊B節(jié)點接收到數據后，對加密數據的解碼過程如圖2所示，包括：（1)B節(jié)點從接收到的數據中解析出A節(jié)點的臨時公鑰和加密消息；（2）根據KA算法，利用A節(jié)點的臨時公鑰和B節(jié)點的私鑰生成對稱共享密鑰；（3）根據AES算法，利用共享對稱密鑰解碼加密的消息，得到A節(jié)點要發(fā)送的元數據。A節(jié)點每次發(fā)送消息，都會產生一個隨機數，由之產生不同臨時密鑰對，進而產生不同的共享對產密鑰，這就保證了消息不會被黑客攔截只能由B節(jié)點接收。經過上述分析，區(qū)塊鏈系統(tǒng)底層牽涉到大量的密碼學算法。這些算法大體可以歸結為3類：（1）哈希算法，例如SHA2、SHA3等；（2）非對稱加密算法，例如ECC和RSA;(3）對稱加密算法，例如DES和AES等算法。另外，值得關注的是，雙重哈希、默克爾樹中哈希算法的連續(xù)計算、混合加密算法的組合運算是區(qū)塊鏈底層計算的重要特征。
鑒于區(qū)塊鏈底層計算具有默克爾樹中哈希算法的連續(xù)計算、混合加密算法的組合運算等特點，本文提出一種區(qū)塊鏈專用協(xié)處理器方案，定制協(xié)處理器的專用于區(qū)塊鏈的密碼學指令集，利用協(xié)處理器內部的指令緩存和數據緩存，不僅減少對內存的訪問，還減少了與其他應用對內存訪問的競爭，性能隨之相應如圖3所示，區(qū)塊鏈專用協(xié)處理器包括可由AXI-Lite總線讀寫的寄存器組（配置寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷控制寄存器）、指令DMA、含有緩存的取指單元、譯碼單元、數據DMA、含有緩存的數據讀寫單元和含有各種加密功能的執(zhí)行單元。以計算?特幣的默克爾樹根哈希為例，說明區(qū)塊鏈協(xié)處理器的工作原理。（1)CPU通過AXI-Lite總線初始化協(xié)處理器的寄存器組，使得協(xié)處理器知道指令在內存的首地址、待處理數據在內存的首地址和整個默克爾樹運算任務完成后結果數據的存儲地址。（2）根據協(xié)處理器指令首地址，取指單元向指令DMA請求從存儲器中讀指令數據；指令DMA讀到指令數據后，把指令數據存入取指單元的指令緩存，同時也傳給譯碼單元。（3）讀取指令的同時，根據待處理數據的首地址，數據讀寫單元向數據DMA發(fā)出讀數據請求；數據DMA讀到待處理數據后，存入數據讀寫單元的數據緩存。（4）經過譯碼得知，需要對數據緩存中的數據進行SHA256加密處理。（5）根據譯碼單元處理完的結果，同樣要存入數據讀寫單元的數據緩存中，以待下一次的處理。（6）如果后續(xù)指令是計算默克爾樹中間節(jié)點的哈希值，數據讀寫單元則從數據緩存中讀出對應中間節(jié)點的數據，交給執(zhí)行單元進行SHA256加密處理。（7）直到默克爾樹樹根哈希計算完成，數據DMA通過AXI總線把默克爾樹根哈希存儲到內存中。
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