公开密钥算法芯片的设计与实现

以RSA算法为例,探讨公钥密码处理芯片的设计与优化。首先提出公钥密码芯片实现中的核心问题,即大整数模幂运算算法和大整数模乘运算算法的实现;然后针对RSA算法,提出Montgomery模乘算法的CIOS方法的一种新的快速硬件并行实现方法,其中采用加法与乘法并行运算以及多级流水线技术以提高性能,较大地减少乘法运算时间,显著提高模乘器的运算性能。     

大整数模幂的固定基窗口组合算法

模幂乘运算是实现公钥密码体制的一个很重要的运算,其运算速度从整体上决定了公钥密码体制的实现效率。通过采用预处理技术,将椭圆曲线的定点标量乘的固定基窗口方法应用在模幂运算中,与SMM算法进行组合得到一种新的求模幂乘算法——固定基窗口方法。对算法的原理与效率进行了分析,实验结果表明,算法的运算速度得到了有效提高。     

一种高性能大数模运算单元及其应用

为了加速公钥密码系统的实现速度,设计支持大教模乘和模加减运算的模运算单元是关键.目前的方法多关注于这两种运算的分别实现,为了改善这种方式导致的硬件单元吞吐量低的问题,提出了一种流水线结构的高性能大数模运算单元.基于改进的Montgomery模乘算法,采用流水线技术,把模乘电路分成3个流水线阶段,并把模加减电路结合到第3阶段,得到一种能同时计算模乘和模加减的模运算单元.仿真结果显示,模运算单元以较少的资源占用率获得了较高的吞吐量,非常适合做高性能的公钥密码系统的基本硬件运算单元.     

模n的大整数幂乘的一种快速算法

在RSA公钥密码体制中，要提高模n的大整数幂乘的运算效率，主要是解决两个方面的问题：（1）大整数的算术运算，特别是大整数的乘除法；（2）降低幂模运算的实际次数。文章从这两个方面进行研究，实现了大整数幂乘的一种快速计算。并给出了关键部分的算法，分析了算法的效率。     

可扩展公钥密码协处理器的设计与实现

在信息安全领域中,公钥密码算法具有广泛的应用.模乘、模加(减)为公钥密码算法的关键操作,出于性能上的考虑,往往以协处理器的方式来实现这些操作.针对公钥密码算法的运算特点,本文提出了一种可扩展公钥密码协处理器体系结构以及软硬件协同流水工作方式,并且改进了模加(减)操作的实现方法,可以有效支持公钥密码算法.同时,该协处理器体系结构也可根据不同的硬件复杂度及性能设计折衷要求,进行灵活扩展.     

公钥密码中大数模幂的并行窗口算法

模乘幂运算是公钥密码体制中最常用的基本运算,提高其运算速度可有效地提高公钥密码算法的加解密效率。该文给出一种大数模乘幂的并行窗口算法,并对在曙光-2000上进行实验所得的数据进行了分析,结果表明算法是有效的。     

模n的大整数幂乘的一种快速算法

在RSA公钥密码体制中,要提高模n的大整数幂乘的运算效率,主要是解决两个方面的问题:⑴大整数的算术运算,特别是大整数的乘除法;⑵降低幂模运算的实际次数。文章从这两个方面进行研究,实现了大整数幂乘的一种快速计算,并给出了关键部分的算法,分析了算法的效率。     

基于进位预估快速模乘方法

研究基于进位预估的大整数模乘运算快速实现方法并应用于FastMM模乘算法的加速。与原算法相比,采用交叉乘和进位预估加速结合方式,理论上最多可以节省33％的字乘操作;在实际应用中,192位椭圆曲线公钥密码系统速度性能与改进前相比提高15％～18％。进位预估方法还可以应用与其它需要截断中间乘积的场合,可以高效实现流行的公钥密码系统。     

信息安全中的公钥密码软件-大整数模拟实现

文章主要介绍用软件模拟实现了大整数模乘功能模块。该模拟软件解决了大整数在计算机内表示、数制转换、加法器模拟、加法链计算、计算补码、模加运算、模乘运算等关键难点问题．开发目的是要提高公钥密码运算速度，应用RSA公钥密码体制实现密钥管理、加密通信、数字签名以及身份验证等信息安全功能。     

基于Kogge-Stone加法器改进的双域模乘器

模乘作为椭圆曲线公钥密码算法的核心运算,调用频率最高,提高其运算速度对于提高椭圆曲线密码处理器的性能具有重要意义。基于Kogge-Stone加法结构,结合可重构技术,实现一种能够同时支持素数域GF(p)和二元域GF(2~m)上模乘运算的双域模乘器,并对模块进行合理复用,节省硬件资源。用Verilog VHDL语言对该模乘器进行RTL级描述,并采用0.18μm CMOS工艺标准单元库进行逻辑综合。实验结果表明,该双域模乘器的最大时钟频率为476 MHz,占用硬件资源66 518 gates,实现256位的模乘运算仅需0.27μs。     

An efficient common-multiplicand-multiplication method to the Montgomery algorithm for speeding up exponentiation

The modular exponentiation is a common operation for scrambling secret data and is used by several public-key cryptosystems, such as the RSA scheme and DSS digital signature scheme. However, the calculations involved in modular exponentiation are time-consuming especially when performed in software. In this paper, we propose an efficient CMM-MSD Montgomery algorithm by utilizing the Montgomery modular reduction method, common-multiplicand-multiplication (CMM) method, and minimal-signed-digit (MSD) recoding technique for fast modular exponentiation. By using the technique of recording the common signed-digit representations in the grouped substrings of exponent, our algorithm can improve the efficiency of both the original CMM exponentiation algorithm and the Montgomery multiplication algorithm. The fast modular exponentiation algorithm developed in this paper can be easily implemented in general signed-digit computing machine, and is therefore well suited for parallel implementation to fast evaluating modular exponentiation. Moreover, by using the proposed CMM-MSD Montgomery algorithm, on average the total number of single-precision multiplications can be reduced by about 38.9% and 26.68% as compared with Dusse-Kaliski’s Montgomery algorithm and Ha-Moon’s Montgomery algorithm, respectively.     

Analyzing and comparing Montgomery multiplication algorithms

Montgomery multiplication methods constitute the core of modular exponentiation, the most popular operation for encrypting and signing digital data in public-key cryptography. In this article, we study the operations involved in computing the Montgomery product, describe several high-speed, space-efficient algorithms for computing MonPro(a, b), and analyze their time and space requirements. Our focus is to collect several alternatives for Montgomery multiplication, three of which are new. However, we do not compare the Montgomery techniques to other modular multiplication approaches     

Montgomery exponent architecture based on programmable cellular automata

This study presents an efficient exponent architecture for public-key cryptosystems using Montgomery multiplication based on programmable cellular automata (PCA). Multiplication is the key operation in implementing circuits for cryptosystem, as the process of encrypting and decrypting a message requires modular exponentiation which can be decomposed into multiplications. Efficient multiplication algorithm and simple architecture are the key for implementing exponentiation. Thus we employ Montgomery multiplication algorithm and construct simple architecture based on irreducible all one polynomial (AOP) in GF(2^m). The proposed architecture has the advantage of high regularity and a reduced hardware complexity based on combining the characteristics of the irreducible AOP and PCA. The proposed architecture can be efficiently used for public-key cryptosystem.     

一种适于硬件实现的快速模乘算法

RSA算法是目前应用最广泛的一种公钥加密算法,随着人们对加密安全性和加密速度要求的提高,硬件实现加密算法成了密码学应用的一个趋势。模乘算法是模幂算法的核心,基于Montgomery算法,结合Booth2算法的思想,文章给出了一种改进的高效算法,并且通过FPGA实现。对该算法和参考文献中算法的性能进行了比较,可以看出这一改进算法在速度和面积上优于现有的算法。     

蒙哥马利算法在RSA中的应用研究

蒙哥马利算法是一种快速的模乘算法,广泛应用于公钥密码体制中,例如RSA、Elgamal算法的基本运算。对RSA的数学理论基础及加解密的过程进行阐述,对蒙哥马利算法进行深入的研究,详细叙述其理论基础和算法原理,对其在RSA的应用进行理论推导,并提出改进的方向。     

Montgomery模平方算法及其应用

分析Montgomery模乘算法的设计思想和模平方中乘法的计算过程，通过引入两种新的平方计算方法以及对Montgomery算法的优化，提出适合于通用32位处理器实现的Montgomery模平方算法。将该方法应用于模幂计算，给出基于滑动窗口技术的Montgomery模幂算法。实验结果表明，该算法能将模幂的计算速度提高9%~12%。     

一种新的加法型快速大数模乘算法

通过对目前常用的几类模乘方法的综合研究，充分吸取估商型模乘算法的估商思想，借助Montgomery型模乘算法中模2n易计算特性，采用窗口分段处理方式，给出了一种新的利用模N进行预计算的方法，进而提出了一种新的加法型模乘AB mod N快速实现算法。模N为1 024-bit、窗宽为6时，新算法平均仅需693次1 024-bit加法便可完成一次AB mod N模乘运算，与当前加法型模乘算法相比，较大幅度地降低了计算复杂度。