[發(fā)明專利]一種基于OpenCL的AES并行化實(shí)現(xiàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410153285.2
• 申請(qǐng)日: 2014-04-16
• 公開（公告）號(hào): CN103973431B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 龔征;袁宇恒;何振忠;溫雅敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H04L9/06
• 分類號(hào): H04L9/06;G06F9/38
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司44245
• 代理人: 黃磊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及密碼算法的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于OpenCL的AMD GPU上的AES的快速實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)

GPU原本是專門為處理圖形圖像數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，因而它具有高度并行的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)今，經(jīng)過十多年的發(fā)展，GPU的并行運(yùn)算能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了CPU，利用GPU對(duì)各種計(jì)算進(jìn)行并行加速也成為了當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。而在信息安全方面，GPU的一項(xiàng)重要應(yīng)用，就是通過并行化來實(shí)現(xiàn)快速加解密。

事實(shí)上，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)加解密并行化有CPU、GPU、FPGA和OPENCL四種并行實(shí)現(xiàn)機(jī)制，它們也各有優(yōu)劣。CPU單個(gè)核心的性能雖然比GPU的要高，但是不具備高度的并行化結(jié)構(gòu)，并行能力不如GPU，而且受到結(jié)構(gòu)限制，并行規(guī)模擴(kuò)充比FPGA難；FPGA的并行規(guī)模擴(kuò)充雖然比CPU和GPU都容易，然而硬件一旦升級(jí)換代，就需要改動(dòng)大量的代碼，不利于開發(fā)與維護(hù)；GPU則同樣受到結(jié)構(gòu)限制，并行規(guī)模擴(kuò)充比FPGA難，單個(gè)核心的運(yùn)算能力也不及CPU，顯存與主機(jī)內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換會(huì)造成大量的延時(shí)，這種I/O的耗費(fèi)成了GPU并行性能主要的瓶頸；OpenCL則是專為異構(gòu)平臺(tái)設(shè)計(jì)的，能夠綜合利用CPU、GPU及其他類型的處理器來提供并行計(jì)算，因而也日漸受到青睞。

OpenCL全稱Open Computing Language（開放計(jì)算語言），是由Khronos Group維護(hù)的為異構(gòu)平臺(tái)提供編寫程序（尤其是并行程序）的開放的框架標(biāo)準(zhǔn)。OpenCL由編寫內(nèi)核程序的語言和定義并控制平臺(tái)的API兩部分組成，可以在多核CPU或者GPU上編譯運(yùn)行。通過使用OpenCL，軟件開發(fā)人員便能夠高效利用各種異構(gòu)處理平臺(tái)，從高性能計(jì)算服務(wù)器，到家用計(jì)算機(jī)再到手持設(shè)備，都被OpenCL所支持，并且在OpenCL幫助下，能夠組合工作。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于OpenCL的AES并行化實(shí)現(xiàn)方法。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于OpenCL的AES并行化實(shí)現(xiàn)方法，包括下述步驟：

S1、確定明/密文及輪密鑰分組的數(shù)量，準(zhǔn)備好明/密文及輪密鑰數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)；

S2、確定AES的執(zhí)行模式，為編寫內(nèi)核函數(shù)做準(zhǔn)備；

S3、編寫內(nèi)核函數(shù)；

S4、編寫OpenCL程序主文件，為OpenCL程序的執(zhí)行做準(zhǔn)備；

S5、設(shè)置程序運(yùn)行參數(shù)，分配內(nèi)存空間，運(yùn)行程序；

S6、獲取加解密結(jié)果，釋放資源。

優(yōu)選的，步驟S1中，輪密鑰的數(shù)據(jù)在主機(jī)端預(yù)先生成好。

優(yōu)選的，步驟S2中，根據(jù)AES的設(shè)計(jì)，將每一輪的不同操作轉(zhuǎn)化為僅用T表和異或來實(shí)現(xiàn)；其具體實(shí)現(xiàn)方式是：

假設(shè)a為一輪的輸入，長度為128比特，此處看成是4×4字節(jié)的矩陣，按照32比特劃分為4份，即a0，a1，a2，a3，1份相當(dāng)于原有矩陣中的1行，如a_0,j代表原有矩陣中的第一行第j列的元素，d為一輪的輸出，那么，d可以表示為：

d_j=T₀[a_0,j]⊕T₁[a_1,j+1]⊕T₂[a_2,j+2]⊕T₃[a_3,j+3]⊕k_j；

其中T0,T1,T2,T3為4個(gè)T表，kj為第j列要與之異或的子輪密鑰；經(jīng)過上述處理后，原本需要經(jīng)過字節(jié)替換、行移位、列混合以及輪密鑰加四個(gè)操作才能獲取的一輪的輸出，現(xiàn)在就轉(zhuǎn)化為僅依靠查表和異或就能獲取到；在完成上述操作前需要預(yù)先準(zhǔn)備好T表并將其寫在內(nèi)核文件中；

T表的類型可設(shè)為4字節(jié)的靜態(tài)無符號(hào)整型私有值、4字節(jié)的無符號(hào)整型常量或靜態(tài)無符號(hào)整型常量類型，需要注意，T表應(yīng)寫在內(nèi)核函數(shù)之外，因?yàn)閮?nèi)核函數(shù)之內(nèi)不允許使用靜態(tài)類型，而且將T表寫在內(nèi)核函數(shù)中會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行時(shí)性能的下降。

優(yōu)選的，步驟S2中，AES的執(zhí)行模式選用電子密碼本ECB模式、計(jì)時(shí)器CTR模式以及輸出反饋OFB模式三種執(zhí)行模式中的一種。

優(yōu)選的，步驟S3中，編寫內(nèi)核參數(shù)的具體方法為：