面向物联网安全的高性能椭圆曲线密码的研究与实现

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当今社会,在物联网飞速发展的同时,安全隐患问题也随之而来。比如物联网终端因缺乏身份认证机制而遭受攻击,不安全的传输信道导致密钥丢失进而引发信息泄露等等上述这些问题时有发生。因此仅仅依靠对称加密算法已不能满足物联网的安全需求。而由公钥密码算法派生出的数字签名协议,可以用于身份认证,密钥交换协议可以在不安全的传输信道上生成仅通信双方知道的密钥,而该密钥一般可作为后续对称加密的密钥,因此公钥密码算法能够为物联网安全提供可靠的保障。其中基于ECC椭圆曲线密码机制并同时在数字签名与密钥交换等领域制定了安全协议标准的SM2算法则非常满足物联网的安全需求。本文首先深入研究了椭圆曲线密码关于数字签名、密钥交换、加解密的相关算法,分析了这几种算法的数学运算共性:有限域的概念、椭圆曲线的定义、定义在椭圆曲线上点的相关运算等等。在设计算法实现时,如果采用纯软件设计的方法,运算效率和安全性均较差;如果纯硬件实现,则面积资源消耗较大,不适用于物联网的应用环境。然后为了在增强系统灵活性的同时提高运算性能,本文采用软硬件协同的方法来设计椭圆曲线密码算法,并且设计了系统整体的架构:硬件协处理器来提高模块运算效率;软件通过调用硬件模块来完成算法整体流程。根据应用场景的需求,针对各个运算层的算法进行了相应的优化。同时提供了硬件相应的实现方案,考虑到物联网应用环境对资源和功耗的要求,将分时复用、流水线等方法融入到电路设计中。完成RTL级代码设计后,通过Modelsim软件对椭圆曲线密码算法进行了功能验证。同时基于Altera公司Stratix IV GX系列的FPGA板子DE4开发板上对电路进行了FPGA性能测试。最后,基于宏力110nm工艺的标准单元库完成电路ASIC的实现。由测试结果看到,本设计能达到106MHz的时钟频率。电路占用了242170.36μm2,约59k等效门。经过对比分析,本文设计在运算性能与面积具有一定的优势,支持双有限域的运算,适用于物联网等资源受限的环境。
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