[發明專利]基于高層次綜合的國密算法SM4加速處理方法及系統

有效

• 申請號: 202010801081.0
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN111914307B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 劉國霄;鞠雷;王悅;魏普文;申兆巖
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G06F21/76
• 分類號: G06F21/76;G06F30/20;G06F115/08
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 黃海麗

1.基于高層次綜合的國密算法SM4加速處理方法，其特征是，對發送到服務器的待國密算法處理的數據包進行處理，包括：

利用高層次綜合HLS通過高級程序語言實現國密算法SM4；對高級程序語言進行仿真處理；

仿真處理正常通過后，進行綜合，得到綜合報告，通過綜合報告觀察國密算法的性能；使用高層次綜合HLS實現對國密算法SM4進行優化，通過聯合仿真，最后導出IP核，從而讓高層次綜合HLS自動實現高級程序語言到硬件語言的轉換，同時對比綜合報告，計算得到國密算法SM4的吞吐量以及加速比；

將IP核加載到Vivado中進行電路的連接，生成控制FPGA的文件，將控制FPGA的文件導入到PYNQ平臺上，從而實現將IP核部署到FPGA上；在PYNQ平臺上通過python將生成的IP核進行調用，實現待國密算法處理的數據包的處理，形成經國密算法處理后的數據包；

FPGA將經過國密算法處理后的數據包傳送給PYNQ的PS端；

使用高層次綜合HLS實現對國密算法SM4進行優化，通過聯合仿真，最后導出IP核；具體步驟包括：

在進行仿真后，使用高層次綜合HLS自身對高級程序語言進行優化，產生優化代碼；

對于國密算法SM4來說，研究的是SM4算法輸入輸出接口的問題，算法內循環的具體過程以及算法的流水處理問題；

對于接口問題，通過編輯接口的類型實現，接口的類型是s_axilite；

對于算法內的循環，使用UNROLL進行優化，整個算法使用PIPELINE進行優化；UNROLL是將整個循環展開，PIPELINE則是將循環進行流水處理；

SM4算法的設計實現與加速方法，其具體過程如下：

首先是E1通過C語言實現SM4算法；

E2是寫出檢測文件；

E3是在HLS當中實現的，E3采用s_axilite作為函數的接口的數據流，同時將函數進行流水化處理以及對數組進行優化；

E4是利用E3生成的IP核，創建一個Vivado工程，在Vivado中導入PYNQ平臺硬件以及生成的IP核，對兩個進行連線，再進行相應的synthesis操作，最后生成bit流文件，將這個過程中生成的tcl文件和bit文件導出，加載到PYNQ平臺當中，E4除了導出相應的tcl和bit文件外，還需要導出hwh文件。

2.如權利要求1所述的方法，其特征是，利用高層次綜合HLS通過高級程序語言實現國密算法SM4，是指：利用高層次綜合HLS通過高級程序語言C/C++實現國密算法SM4。

3.如權利要求1所述的方法，其特征是，所述對高級程序語言進行仿真處理；具體步驟包括：將高級程序語言寫入HLS當中，通過HLS的simulation功能對高級程序語言進行仿真，如果仿真不通過，HLS會檢測出相應的錯誤，并返回錯誤報告。

4.如權利要求1所述的方法，其特征是，在UNROLL和PIPELINE兩種優化方式當中，起到最主要作用的是PIPELINE，這與SM4本身是處理分組密碼的關系是密不可分的，因為每一組加密的時候每一組的數據是獨立的，沒有任何依賴關系的，所以PIPLINE能夠將整個算法進行流水處理；優化完成后依次進行HLS的綜合、聯合仿真以及導出IP核。

5.如權利要求1所述的方法，其特征是，讓高層次綜合HLS自動實現高級程序語言到硬件語言的轉換；具體步驟包括：仿真結束以后，進行綜合、聯合仿真以及導出IP核，從而使得HLS自動將高級程序語言轉化為硬件語言。

6.如權利要求1所述的方法，其特征是，通過python將生成的IP核進行調用，實現待國密算法處理的數據包的處理，形成經國密算法處理后的數據包；具體步驟包括：

通過python調用PYNQ內部自帶的第三方庫，將生成的bit流文件導入python當中，然后通過庫函數調用SM4生成的IP核，當加密數據的時候調用函數，從而調用IP核，生成加密后的數據。