本文關(guān)鍵詞：基于SM2的數(shù)字簽名系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

  更多相關(guān)文章： SM2 數(shù)字簽名 點(diǎn)乘 ECC 乘法器

【摘要】：隨著物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展,信息安全越來越受到人們的重視。橢圓曲線密碼體制(Elliptic Curve Cryptography, ECC)能夠在相同密鑰長度情況下提供更高的安全性。2010年12月17日國家密碼安全局發(fā)布了國產(chǎn)ECC算法標(biāo)準(zhǔn)一《SM2橢圓曲線公鑰密碼算法》,用來對現(xiàn)有的RSA (Rivest Shamir Adleman)系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。數(shù)字簽名技術(shù)是ECC算法的一個重要應(yīng)用,它在現(xiàn)代電子商務(wù)和政務(wù)中扮演著身份重要角色。本文研究了基于SM2的數(shù)字簽名系統(tǒng),完成了該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的基于SM2的數(shù)字簽名系統(tǒng),選取了NIST推薦的K-233安全曲線,在二元域下實(shí)現(xiàn)了國密SM2數(shù)字簽名算法。本文首先介紹了橢圓曲線算法相關(guān)的理論基礎(chǔ)、簽名所需的密碼雜湊理論等技術(shù)基礎(chǔ)；其次根據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)給出了SM2數(shù)字簽名系統(tǒng)的算法架構(gòu),并對系統(tǒng)中各層的主要算法進(jìn)行分析和優(yōu)化；然后根據(jù)算法架構(gòu)設(shè)計(jì)了SM2數(shù)字簽名系統(tǒng)硬件架構(gòu)并進(jìn)行了模塊劃分,進(jìn)而根據(jù)優(yōu)化的算法對各模塊進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。其中簽名系統(tǒng)的核心運(yùn)算點(diǎn)乘運(yùn)算采用了標(biāo)準(zhǔn)投影坐標(biāo)系下的蒙哥馬利算法,以主從狀態(tài)機(jī)的方式控制有限域運(yùn)算單元加以實(shí)現(xiàn)。并對該算法以預(yù)計(jì)算的方式采用3個模乘法器與1個模逆運(yùn)算單元并行工作的方式加以優(yōu)化,使得在密鑰寬度為233比特的情況下,點(diǎn)乘運(yùn)算速度提高了約21%。有限域模乘運(yùn)算單元采取全并行與字級乘法器兩種方式實(shí)現(xiàn)以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。全并行模乘法器會占用更多的資源,但整個數(shù)字簽名系統(tǒng)在速度上會取得最優(yōu),可達(dá)到等同100MHz的頻率下35880次每秒的簽名速度,適合服務(wù)器等資源豐富的場合。字級乘法器在面積和速度上進(jìn)行折中,并降低了一定的功耗,通過控制字長w來平衡面積和速度,本設(shè)計(jì)中采取w=60,最終使得整個數(shù)字簽名系統(tǒng)在等同100MHz的頻率下達(dá)到18341次每秒的簽名速度,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo),并且電路面積較全并行模乘法器減少了約17%。本設(shè)計(jì)采用Verilog HDL硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì),并且搭建UVM進(jìn)行驗(yàn)證。最后,通過了]Design Compiler綜合和FPGA原型驗(yàn)證。證明了設(shè)計(jì)能夠正確完成數(shù)字簽名生成和驗(yàn)簽工作,并且能達(dá)到大于15000次/秒的簽名速度要求,電路的工作頻率可達(dá)到165.26MHz。
【關(guān)鍵詞】：SM2 數(shù)字簽名 點(diǎn)乘 ECC 乘法器
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN918.91
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 緒論8-12
• 1.1 課題背景與意義8
• 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)8-9
• 1.3 研究內(nèi)容與設(shè)計(jì)指標(biāo)9-10
• 1.3.1 研究內(nèi)容9
• 1.3.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)9-10
• 1.4 論文組織10-12
• 第二章 ECC相關(guān)理論基礎(chǔ)12-24
• 2.1 有限域12-15
• 2.1.1 有限域的概念12
• 2.1.2 二元域12-14
• 2.1.3 二元域上的運(yùn)算14-15
• 2.2 橢圓曲線15-17
• 2.2.1 橢圓曲線的概念15-17
• 2.2.2 本設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)參數(shù)17
• 2.3 二元域上橢圓曲線的運(yùn)算17-20
• 2.3.1 投影平面坐標(biāo)的概念17-19
• 2.3.2 二元域上橢圓曲線的運(yùn)算19-20
• 2.4 密碼雜湊函數(shù)與數(shù)字簽名20-21
• 2.5 數(shù)字簽名算法21-22
• 2.6 ECC的運(yùn)算層次22
• 2.7 本章小結(jié)22-24
• 第三章 SM2數(shù)字簽名系統(tǒng)算法分析及優(yōu)化24-46
• 3.1 SM2數(shù)字簽名系統(tǒng)的算法架構(gòu)24
• 3.2 密碼協(xié)議層算法分析24-29
• 3.2.1 SM2數(shù)字簽名生成及驗(yàn)證算法24-26
• 3.2.2 SM3密碼雜湊算法26-28
• 3.2.3 密鑰對生成協(xié)議28-29
• 3.3 橢圓曲線運(yùn)算層的算法分析29-36
• 3.3.1 不同坐標(biāo)系下的點(diǎn)加與倍點(diǎn)運(yùn)算復(fù)雜度分析29
• 3.3.2 點(diǎn)乘算法分析及優(yōu)化29-36
• 3.4 二元域運(yùn)算層的算法分析36-45
• 3.4.1 模加減36
• 3.4.2 模乘36-40
• 3.4.3 模平方40-42
• 3.4.4 模逆42-45
• 3.5 本章小結(jié)45-46
• 第四章 SM2數(shù)字簽名系統(tǒng)硬件架構(gòu)及RHL實(shí)現(xiàn)46-66
• 4.1 SM2數(shù)字簽名系統(tǒng)的硬件架構(gòu)46-48
• 4.2 密碼協(xié)議層實(shí)現(xiàn)48-53
• 4.2.1 數(shù)字簽名主控制器模塊48-50
• 4.2.2 SM3密碼雜湊模塊50-53
• 4.2.3 密鑰對生成模塊53
• 4.3 橢圓曲線運(yùn)算層53-60
• 4.3.1 點(diǎn)乘運(yùn)算控制模塊53-56
• 4.3.2 二元域運(yùn)算控制器56-60
• 一、點(diǎn)加倍點(diǎn)模塊57-58
• 二、坐標(biāo)反變換模塊58-60
• 4.4 二元域運(yùn)算層60-65
• 4.4.1 模加60
• 4.4.2 模乘60-64
• 4.4.3 模平方64
• 4.4.4 模逆64-65
• 4.5 本章小結(jié)65-66
• 第五章 驗(yàn)證及結(jié)果分析66-84
• 5.1 通用驗(yàn)證方法學(xué)概述66-67
• 5.2 基于UVM驗(yàn)證平臺的功能驗(yàn)證67-77
• 5.2.1 驗(yàn)證平臺的目錄結(jié)構(gòu)67-69
• 5.2.2 平臺中各組件功能和聯(lián)系69-70
• 5.2.3 驗(yàn)證平臺功能分析70-73
• 5.2.4 有限域運(yùn)算單元的功能驗(yàn)證73-74
• 5.2.5 橢圓曲線運(yùn)算層的功能驗(yàn)證74-75
• 5.2.6 密碼協(xié)議層的功能驗(yàn)證75-77
• 5.3 覆蓋率分析77
• 5.4 FPGA驗(yàn)證與結(jié)果分析77-80
• 5.5 Design Compiler邏輯綜合與時序驗(yàn)證80-82
• 5.6 性能對比分析82-83
• 5.7 本章小結(jié)83-84
• 第六章 總結(jié)與展望84-86
• 6.1 總結(jié)84
• 6.2 展望84-86
• 參考文獻(xiàn)86-88
• 致謝88-90
• 攻讀碩士學(xué)位期間的成果90

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