物聯網領域的泄密隱患是一個亟待解決的安全問題,物聯網節(jié)點間通信的加密手段多為通用處理器加密和定制算法模塊加密兩種,但兩者分別存在加密性能低和靈活性不足的缺點。RISC-V架構的專用指令密碼處理器具有較高的加密性能和對不同應用環(huán)境良好的適應性,能很好地滿足物聯網領域的信息加密需求。本文基于RISC-V架構設計了專用密碼指令集,主要工作如下:提出了基于指令流圖的擴展指令搜索算法,通過對指令流圖和子圖進行精確的數學定義,把擴展指令設計轉化為子圖劃分的圖論問題;基于模擬退火法設計了子圖搜索算法,直接將密碼算法處理性能作為優(yōu)化目標,使求解過程具有子圖篩選功能,節(jié)省了人工適配篩選的工作量。使用子圖搜索算法分析了13種典型分組、序列密碼算法,分析篩選出的各類子圖的特性,確定子圖的指令實現和硬件實現方案;設計了密碼指令的格式擴展,通過設置源目的寄存器和寄存器偏移量,增加了單指令吞吐率上限,能有效提升密碼指令性能,在此基礎上設計出40多條擴展指令,構建了精簡高效的專用密碼指令集。針對密碼算法中換位操作較多的情況設計了組合換位模塊,可根據換位網絡的迭代特性實現短字移位和級聯移位操作;能依據配置信息量將置換... 

【文章頁數】：101 頁

【學位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景和意義
    1.2 國內外研究現狀
    1.3 研究內容及創(chuàng)新點
        1.3.1 研究內容
        1.3.2 主要創(chuàng)新點
    1.4 論文結構安排
第二章 RISC-V處理器擴展密碼指令相關技術研究
    2.1 RISC-V架構特性研究
        2.1.1 RISC處理器特性研究
        2.1.2 RISC-V指令集架構研究
    2.2 擴展指令提取相關算法研究
        2.2.1 指令提取的圖論問題分析
        2.2.2 啟發(fā)式算法研究
    2.3 專用密碼指令的擴展ALU模型設計
        2.3.1 密碼處理器流水線結構
        2.3.2 擴展ALU模型設計
    2.4 本章小結
第三章 基于指令流圖的擴展指令搜索方法研究
    3.1 指令流圖構建方法研究
        3.1.1 剪枝與拼接方法研究
        3.1.2 分支邏輯消除方法研究
    3.2 面向擴展指令的子圖評價方法研究
        3.2.1 指令子圖的評價指標研究
        3.2.2 連接結點的處理方法研究
    3.3 子圖搜索算法研究與設計
        3.3.1 子圖搜索的目標函數設計
        3.3.2 子圖搜索算法設計
    3.4 本章小結
第四章 基于子圖分析的專用密碼指令設計
    4.1 面向樣本對稱密碼算法的子圖生成
        4.1.1 對稱密碼算法基本操作分析
        4.1.2 樣本算法生成子圖分析
    4.2 樣本算法子圖種類及實現方法研究
        4.2.1 向量訪存類子圖
        4.2.2 XTIME類子圖
        4.2.3 置換類子圖
        4.2.4 自異或類子圖
        4.2.5 移位類子圖
        4.2.6 后異或類子圖
        4.2.7 乘法子圖
    4.3 RISC-V架構專用密碼指令設計
        4.3.1 專用密碼指令格式擴展
        4.3.2 專用密碼指令設計
    4.4 本章小結
第五章 專用密碼指令硬件設計關鍵技術研究
    5.1 換位類指令模塊研究與設計
        5.1.1 置換操作實現方法研究
        5.1.2 移位操作實現方法研究
        5.1.3 RISC-V處理器組合換位單元設計
    5.2 基于S盒查表的向量存儲結構設計
        5.2.1 RISC-V處理器存儲特性分析
        5.2.2 S盒操作特性研究
        5.2.3 向量存儲結構研究與設計
    5.3 本章小結
第六章 功能驗證與性能分析
    6.1 測試環(huán)境與測試方法設計
        6.1.1 專用密碼處理器設計
        6.1.2 軟硬協同驗證平臺設計
        6.1.3 密碼處理器測試流程
        6.1.4 處理器性能分析方法
    6.2 專用密碼指令功能驗證
        6.2.1 SM4分組算法功能驗證
        6.2.2 AES分組算法功能驗證
        6.2.3 A5-1序列算法功能驗證
    6.3 專用密碼處理器性能分析
        6.3.1 密碼算法指令條數分析
        6.3.2 密碼處理器性能分析
    6.4 本章小結
第七章 總結與展望
    7.1 總結
    7.2 展望
致謝
參考文獻
作者簡歷


【參考文獻】：
期刊論文
[1]“無人超市”是智能商店革命的創(chuàng)新[J]. 洪濤.  上海商業(yè)(理論版). 2017(11)
[2]基于Inverse Butterlfy網絡的高效可重構循環(huán)移位單元（英文）[J]. Chao MA,Zi-bin DAI,Wei LI,Hai-juan ZANG.  Frontiers of Information Technology ＆ Electronic Engineering. 2017(11)
[3]一種物聯網端到端安全方案[J]. 馬國峻,白磊,裴慶祺,李向軍.  信息網絡安全. 2017(10)
[4]新型可重構移位-置換單元研究與設計[J]. 馬超,李偉,戴紫彬,馮曉.  電子學報. 2017(05)
[5]2016物聯網安全白皮書[J].   信息安全與通信保密. 2017(02)
[6]面向物聯網的SM4算法輕量級實現[J]. 朱坤崧,戴紫彬,張立朝,李偉,朱偉民.  電子技術應用. 2016(12)
[7]基于龍芯處理器的自主可信計算機研究[J]. 趙斌,楊明華,柳偉,馮磊,路永軻.  計算機技術與發(fā)展. 2015(03)
[8]一種高效的凸連通子圖枚舉算法[J]. 薄拾,葛寧,林孝康.  軟件學報. 2010(12)
[9]一種基于BENES網絡的可重構比特置換系統設計[J]. 向楠,戴紫彬,徐勁松.  計算機工程. 2007(22)
[10]AES/Rijndael算法協處理器設計與實現[J]. 徐志軍,周順,謝波.  電路與系統學報. 2007(04)

博士論文
[1]32位RISC微處理器設計研究[D]. 夏軍.華中科技大學 2004

碩士論文
[1]RISC結構專用指令密碼處理器研究與設計[D]. 張琰.解放軍信息工程大學 2008
[2]RISC架構微處理器擴展對稱密碼處理指令的研究[D]. 劉元鋒.解放軍信息工程大學 2006



本文編號：3702209