安全哈希算法的并行化實現研究.pdf

1、安全哈希算法是密碼學的基礎算法，廣泛用于數據完整性校驗、密碼保存、文件識別、偽隨機數發(fā)生器、數字簽名等，具有重要的應用價值。常見的哈希算法結構包括Merkle-Damg(a)rd結構、HAIFA結構、Sponge結構和寬管道結構，通過對常見的哈希算法結構的考察發(fā)現，它們在整體上都是線性的，也就是說，消息塊總是按照順序被依次處理，后面的消息塊的處理要依賴于前面消息塊的計算結果，無法提前進行計算。當消息長度很大時，線性的結構成為限制計算效率

2、的瓶頸，線性哈希結構使得多核處理器無法使用多個計算單元對消息并行處理，多核處理器的處理能力無法得到充分的發(fā)揮。針對這一問題，Skein算法定義了樹形哈希模式，使得算法的并行性大大提高。
　　本文致力于研究樹形哈希模式的并行處理結構。以Skein算法為例，進行了算法分析，系統建模，硬件架構設計等各項工作，提出了一種實現樹形哈希模式的并行處理平臺。該平臺以互連網絡為中心，由若干個運算單元、若干個存儲單元和一個控制器組成。每個運算單元都

3、能夠獨立完成線性哈希運算，控制器通過控制總線向運算單元分配任務，協調運算單元的工作，通過基本的線性哈希運算的組合，能夠完成樹形哈希算法的運算?；ミB網絡的設計允許多對多的并發(fā)訪問，結合分立存儲單元的設計，使得多個運算單元可以同時訪問存儲系統的不同位置?？傮w來說，該并行架構的設計解決了并行處理系統設計中面臨的存儲、互連和任務調度三個方面的問題。
　　該平臺不僅能夠高效執(zhí)行Skein算法，而且在任務劃分與調度、片上存儲與互連、硬件加速等

4、方面對于樹形模式的各類哈希算法具有普遍的借鑒意義。本文提出的并行架構經過FPGA功能驗證，并且在TSMC65nm工藝下進行綜合，結果顯示，系統占用的面積為1.3mm2，最高工作頻率達到833MHz，功耗66mW，估計吞吐率約為40Gbps，各項指標均達到預期。研究并行哈希的性能提升是本文的另一個重點，為此，本文根據系統中的任務調度情況，提出了Skein樹形哈希算法的性能模型。模型分析顯示，和傳統的線性哈希相比，使用多個運算單元來完成樹形