本文選題：CUDA + SPECK��； 參考：《山東大學》2016年碩士論文

【摘要】：本文主要研究了兩個方面,一是CUDA在密碼分析中的加速作用,是利用塔域技術(shù)構(gòu)造較小硬件面積的S盒。CUDA是英偉達公司于2006年11月推出的應(yīng)用在GPU上的通用并行開發(fā)平臺,主要利用GPU并行計算的特點,用來開發(fā)適合運行在GPU上的程序[1]。利用CUDA編程能夠大幅加快加密算法的速度,對有些密碼分析技術(shù)來說也同樣適用。本文首先根據(jù)GPU運算的特點,提出了適合使用CUDA加速的算法應(yīng)該滿足的一些特點,并且研究了哪類加密算法更適合用于CUDA加速,哪種密碼分析方法運用CUDA會有更高的效率。而后本文確定將CUDA優(yōu)化技術(shù)運用到一個具體的分組密碼算法——SPECK [2]算法。SPECK算法是由美國國家安全局(NSA)設(shè)計,在2013年發(fā)布的具有Feistel結(jié)構(gòu)的輕量級分組加密算法,專門適用于軟件端實現(xiàn)。在16MHz的Atmel ATmega128 8-bit微控制器上,分組長度為64比特,初始密鑰長度為96比特的SPECK算法加密吞吐量可以達到888Kbps。本文在Tesla C2070 GPU下,適用CUDA技術(shù),加密分組長度為64比特,初始密鑰長度為96比特的SPECK加密算法,加密吞吐量可以達到298Gbps。GPU除了可以加快算法的加解密速度,還可以利用CUDA技術(shù),用來尋找加密算法的平衡性質(zhì)。同樣對SPECK進行實驗,在Tesla C2070 GPU下的速度是在Inter(R)Xeon(R)CPU E5-2620 @2.00GHz單核下的147倍。這個結(jié)果說明了CUDA對滿足某些密碼分析方法能夠起到很好的加速作用。在AES[3]的硬件實現(xiàn)上,其s盒可以通過塔域技術(shù)實現(xiàn),達到減少硬件資源消耗的目的。AES的S盒是由一個仿射變換和一個在有限域GF(28)上的求逆運算構(gòu)成。塔域方法是通過一個同構(gòu)映射及其逆映射,將有限域GF(28)上的求逆運算轉(zhuǎn)換為塔域GF((24)2)或者GF(((22)2)2)上的求逆運算。之前利用已有S盒的塔域方法構(gòu)建的S盒比AES的S盒硬件實現(xiàn)面積小,本文通過塔域方法并巧妙利用了仿射變換和塔域上的求逆運算之間的關(guān)系構(gòu)建了新的S盒。新構(gòu)建的S盒由兩個仿射變換和一個在塔域GF(((22)2)2)上的求逆運算構(gòu)成,其中巧妙選擇的仿射變換可以減少S盒和逆S盒中塔域求逆運算的硬件面積,可以進一步的減少總的硬件實現(xiàn)面積。通過對新的S盒進行密碼安全指標分析,發(fā)現(xiàn)新的S盒具有可靠的安全性質(zhì)。
[Abstract]:This paper mainly studies two aspects. One is the accelerating function of CUDA in cryptographic analysis. The S box. CUDA, which uses tower domain technology to construct small hardware area, is a general parallel development platform which was introduced by Nvidia in November 2006 and applied on GPU. Mainly using the characteristics of GPU parallel computing, it is used to develop programs suitable for running on GPU [1]. The speed of encryption algorithm can be greatly accelerated by using CUDA programming, and it is also applicable to some cryptographic analysis techniques. According to the characteristics of GPU operation, this paper first puts forward some characteristics that should be satisfied by the algorithm suitable for using CUDA acceleration, and studies which encryption algorithm is more suitable for CUDA acceleration and which cryptographic analysis method has higher efficiency using CUDA. Then this paper determines that the CUDA optimization technology is applied to a specific block cipher algorithm.SPECK algorithm is a lightweight block encryption algorithm with Feistel structure, which was designed by National Security Agency (NSA) and published in 2013. It is suitable for software implementation. On the Atmel ATmega128 8-bit microcontroller of 16MHz, the encryption throughput of the SPECK algorithm with 64 bits of packet length and 96 bits of initial key length can reach 888Kbps. In this paper, under Tesla C2070 GPU, the SPECK encryption algorithm with 64 bits of block length and 96 bits of initial key length is suitable for CUDA technology. The throughput of 298Gbps.GPU can not only speed up the encryption and decryption speed of the algorithm, but also make use of CUDA technology. It is used to find the balance of encryption algorithm. SPECK is also tested at a speed of 147x at Tesla C2070 GPU than at 2.00GHz Inter(R)Xeon(R)CPU E5-2620. The results show that CUDA can accelerate the performance of some cryptographic analysis methods. In the hardware implementation of AES [3], its s-box can be realized by tower technology, and the purpose of reducing the consumption of hardware resources. The S-box of AES is composed of an affine transformation and an inverse operation on the finite field GFF28). The tower domain method is to convert the inversion operation on the finite field GFN28) to the inverse operation on the tower domain GFN / 24 / 2 / 2 / 2 / 2 by an isomorphism map and its inverse map. The S-box constructed by using the existing S-box tower domain method is smaller than that of AES's S-box hardware. In this paper, a new S-box is constructed by using the relationship between affine transformation and inverse operation in the tower domain by using the tower domain method and skillfully using the relation between the affine transformation and the inverse operation in the tower domain. The newly constructed S-box is composed of two affine transformations and one inverse operation on the tower domain GF22 / 2), in which the skillfully selected affine transformation can reduce the hardware area of the inverse operation in the S-box and the inverse S-box. Can further reduce the total hardware implementation area. It is found that the new S-box has reliable security property by analyzing the cryptographic security index of the new S-box.
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN918.2

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本文編號：1907124