[發(fā)明專利]基于GPU的SM2算法實現(xiàn)方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310459734.1
• 申請日: 2013-09-26
• 公開（公告）號: CN103532710B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 發(fā)明（設計）人: 潘無窮;荊繼武;管樂;向繼;林璟鏘;余幸杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院數(shù)據(jù)與通信保護研究教育中心
• 主分類號: H04L9/30
• 分類號: H04L9/30
• 代理公司: 北京德琦知識產(chǎn)權代理有限公司 11018
• 代理人: 牛崢;王麗琴

技術領域

本發(fā)明涉及公鑰密碼算法技術，特別涉及一種基于圖形處理器（GPU，Graphics?Processing?Unit）的SM2算法的實現(xiàn)方法及裝置。

背景技術

采用多核并行計算是提升處理器性能的重要方式，因此出現(xiàn)了包括海量并行結構運算單元的GPU，GPU已經(jīng)發(fā)展成為了并行度高、多線程、計算快捷及內(nèi)存帶寬大的高性能通用處理器。GPU體系結構在組成上分為三層：第一層由若干個線程處理器簇（TPC，Thread?Preocessing?Cluster）組成，第二層由多個流多處理器（SM，Streaming?Multiprocessor）組成，第三層為構成SM的流處理器（SP，Stream?Processor），也可以稱為線程處理器。SM作為GPU的一個任務執(zhí)行和調(diào)度單元，主要負責執(zhí)行GPU分發(fā)的線程指令，而SP是GPU中最基本的指令執(zhí)行單元，其執(zhí)行的操作由所屬的SM控制。SP具備獨立的寄存器和程序計數(shù)器，但是沒有內(nèi)存訪問和調(diào)度單元，所以SP僅僅具備計算能力，而非獨立的處理器核，SM為其包含的SP提供內(nèi)存訪問和調(diào)度能力。如果使用同一個SM中所有SP執(zhí)行相同的指令，并且使所有SP處理的計算數(shù)據(jù)都不同，就可以使SM具有最高的計算效率，有效避免計算資源的浪費。

2006年NVIDIA公司推出了計算機一體設備結構（CUDA，Compute?Unified?Device?Architecture）可編程平臺，可以實現(xiàn)GPU線程的調(diào)度。在CUDA可編程平臺架構下，GPU執(zhí)行的最小單位是線程（thread），數(shù)個線程（thread）可以組成一個線程塊（block）。一個block中的thread可以存取同一共享內(nèi)存且同步。執(zhí)行相同程序的thread，組成柵格（grid），不同的grid可以執(zhí)行不同的程序。

GPU可以對GPU線程進行動態(tài)調(diào)度，GPU線程被承載在GPU計算單元中，每個GPU線程由一個SP執(zhí)行。如果一組GPU線程同時允許相同指令且處理不同的數(shù)據(jù)，就能使盡可能多個SP在相同時間內(nèi)執(zhí)行相同指令。一組GPU線程同時處理的指令相同且數(shù)據(jù)不同的計算越多，GPU中SM的計算效率越高，GPU的運算速度越快。

相對于中央處理器（CPU），GPU具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，在浮點運算及并行計算等方面，提高幾十倍甚至數(shù)百倍于CPU的性能。GPU具有幾千個核，有很高的并行性，但是每個SM相比CPU處理能力比較弱。CPU計算能力強，但是核數(shù)比較少。因此，采用何種CPU和GPU協(xié)作方式進行構架，完成各種計算，以提高系統(tǒng)整體計算能力，是一個亟待解決的問題。

橢圓曲線公鑰密碼算法（SM2），是中國國家密碼管理局發(fā)布的密碼算法。SM2明確規(guī)定了SM2算法的數(shù)字簽名算法、公鑰加密算法及密鑰交換協(xié)議，應用在數(shù)據(jù)傳輸過程中可靠性的數(shù)據(jù)傳輸及使用數(shù)據(jù)的合法者驗證。其中，SM2算法的數(shù)字簽名算法包括生成算法和驗證算法。在SM2的數(shù)字簽名算法中，包括一一對應的公鑰和私鑰，其中，私鑰用于數(shù)據(jù)生成數(shù)字簽名，公鑰用于對數(shù)字簽名進行驗證。簽名者采用私鑰進行數(shù)據(jù)M的數(shù)字簽名生成算法計算，得到數(shù)據(jù)M的數(shù)字簽名；驗證者采用公鑰對接收的數(shù)據(jù)M進行數(shù)字簽名驗證計算，驗證數(shù)據(jù)M的數(shù)字簽名是否匹配，如果匹配，確認接收的數(shù)據(jù)M是正確的。公鑰加密算法包括加密算法和解密算法，適用于所傳輸數(shù)據(jù)的加解密。在公鑰加密算法中，數(shù)據(jù)接收者有一個公鑰和一個私鑰，公鑰和私鑰一一對應。數(shù)據(jù)發(fā)送者利用接收者的公鑰，使用加密算法對數(shù)據(jù)加密，接收者用對應的私鑰，使用解密算法對接收的數(shù)據(jù)進行解密，獲取數(shù)據(jù)。密鑰交換協(xié)議是密鑰交換發(fā)起者和密鑰交換響應者通過交互數(shù)據(jù)傳遞實現(xiàn)秘密信息的共享，包括發(fā)起密鑰交換和響應密鑰交換。密鑰交換發(fā)起者和響應者分別擁有自己的公鑰和私鑰，并用各自的私鑰和對方的公鑰確定共享的秘密密鑰，這個共享的秘密密鑰通常用于某個對稱密碼算法中，該密鑰交換協(xié)議適用于密碼應用中的密鑰交換，能夠用于密鑰協(xié)商和管理。

SM2算法的數(shù)字簽名算法、密鑰交換協(xié)議和加密算法的具體郭晨如下所述。

SM2算法的數(shù)字簽名生成算法

設待簽名的消息為M,為了取得消息M的數(shù)字簽名（r,s）,作為簽名者的用戶A應實現(xiàn)以下運算步驟：

A1：置Z_A‖M表示Z_A與M的拼接;

A2：計算將e的數(shù)據(jù)類型轉換為整數(shù)；

A3：產(chǎn)生隨機數(shù)k∈[1,n-1];

A4：計算橢圓曲線點（x₁,y₁）=[k]G；