[發明專利]軟硬協同的分段掃描式蒙哥馬利模冪計算系統及可讀存儲介質

在審

• 申請號: 202111480141.4
• 申請日: 2021-12-06
• 公開（公告）號: CN114138235A
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 傅玉祥;孫玉祥;龍威;王峰;李偉;何書專
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06F7/72
• 分類號: G06F7/72
• 代理公司: 南京泰普專利代理事務所(普通合伙) 32360
• 代理人: 張帆

本發明提供了一種軟硬協同的分段掃描式蒙哥馬利模冪計算系統。SoC平臺內置ARM處理器和FPGA資源。ARM端主要做整體任務調度，以及進制分段掃描算法所必備的數據預處理。將處理好的數據存入SRAM的特定地址中，之后啟動FPGA進行運算。FPGA端實現模塊化設計，包括地址生成模塊，模逆模塊，CIOS蒙哥馬利模乘模塊，分段掃描式蒙哥馬利模冪控制模塊等。本發明實現256bit模冪，采用6bit的分段掃描方式，需要進行()的數據預處理，存入SRAM。具體的蒙哥馬利模乘模塊采用CIOS算法實現，將大位寬256bit乘法進行64bit拆分，減少大位寬乘法所帶來的面積消耗，同時對CIOS算法進行流水化方面的優化，將原來的兩個內循環進行流水處理，僅增加少量周期完成兩個內循環，提高執行效率。

技術領域

本發明涉及加解密運算領域，尤其涉及一種軟硬協同的分段掃描式蒙哥馬利模冪計算系統及可讀存儲介質。

背景技術

近年來，隨著計算機和電子商務的發展，人類進入了信息時代，在信息爆炸的今天，隱私的安全需求日益增多，人們對于信息的快速加密，安全傳輸，機密保存有了更進一步的需求。信息安全不僅關系到國家的安危，戰爭的走向，經濟的發展等大的方面，而且關系到個人的身份信息，銀行賬戶，信息傳遞等等切身利益。因此密碼學的發展在電子信息領域中有更加迫切的需求，在密碼學中，最基本的，是信息加密、解密分為對稱加密和非對稱加密，這兩者的區別在于是否在加密解密時是否使用了相同的密鑰。

前者由于加密和解密使用的是同一個秘鑰，計算量小、加密速度快、加密效率高，但是秘鑰的管理和分發非常困難，不夠安全。后者加密和解密使用不同的秘鑰，安全性更高，公鑰是公開的，秘鑰是自己保存的，不需要將私鑰給別人，但是加密和解密花費時間長、速度慢，只適合對少量數據進行加密。

RSA加密算法是一種非對稱加密算法。在公開密鑰加密和電子商業中RSA被廣泛使用。目前普遍認為，RSA的安全性來源于大數分解，目前并沒有合適的算法來處理大數分解。RSA算法的最核心運算是有限域的模冪運算，軟件處理模冪運算由于運算量過于龐大，速度一直是RSA算法的最大限制，因此模冪運算的硬件加速有廣泛的應用前景。

為了加速模冪的運算過程，許多模冪優化算法需要在模冪運算前，在軟件層面進行預計算，再將與計算的值作為輸入值傳遞到FPGA，因此單純的軟件計算和FPGA運算無法兼顧兩者。單純的軟件計算大數模冪效率太低，而單純的FPGA靈活性較差，對于預計算的進行以及結果傳輸由較大的約束性。

發明內容

發明目的：提出一種軟硬協同的分段掃描式蒙哥馬利模冪計算系統，該方案結合2^k分段掃描算法和蒙哥馬利算法，可以自主完成整模冪運算的數據預計算以及結果數據的傳輸，傳輸到指定的FPGA地址，并啟動FPGA來進行具體的模冪運算，充分利用了軟件的靈活性以及FPGA的加速效果，靈活且高效的不同的模數N的模冪運算，更好的滿足實際應用的需求，從而解決現有技術存在的上述問題。

第一方面，提出一種軟硬協同的分段掃描式蒙哥馬利模冪計算系統，具體由以下技術方案實現：

本發明具體實施是基于SoC軟硬協同實現的256bit蒙哥馬利模冪運算(M^EmodN)，ARM端用于完成整體的任務調度，以及生成2^k進制分段掃描算法需要的預計算和修正系數，FPGA端完成計算密集的模冪運算。

ARM端產生2^k進制分段掃描算法所需要的預算值，以及修正系數factor。本發明采用6bit分段掃描的方式，根據2^k進制分段掃描算法的具體流程，共需要(2⁶)個預計算值以及1個修正系數。

除此之外ARM端需要開發驅動模塊，用于與數據預處理模塊建立雙向通信，驅動FPGA，與FPGA建立數據的雙向通信。