基于集成顯卡的TLS協(xié)議加速及其異構(gòu)計(jì)算框架設(shè)計(jì).pdf

1、隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)連接的速度越來越快，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)碾[私數(shù)據(jù)量也越來越大，如何能夠在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中安全傳輸體量巨大、數(shù)量眾多的私密信息，是一個(gè)關(guān)系到每一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)使用者切實(shí)利益，且具有挑戰(zhàn)性的問題。TLS協(xié)議的制定和廣泛部署為傳輸層數(shù)據(jù)的安全提供了保障，但由于信息敏感類服務(wù)需求的擴(kuò)大，安全算法復(fù)雜度的提升，以及互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量的增長，如何在有限的設(shè)備上提升TLS協(xié)議的處理速度，減少傳輸延遲以提升用戶體驗(yàn)，是協(xié)議使用過程中需要重點(diǎn)考

2、慮的問題。
　　因此，各種輔助計(jì)算設(shè)備(e.g.ASIC，F(xiàn)PGA，Discrete GPGPU)被應(yīng)用到TLS協(xié)議系統(tǒng)中以加速協(xié)議事務(wù)的處理速度，但目前對于普遍存在的集成顯卡在網(wǎng)絡(luò)安全背景下的通用計(jì)算能力的探索與研究尚屬空白。相比于常用的輔助計(jì)算設(shè)備，集成顯卡具有和CPU共享緩存的架構(gòu)優(yōu)勢，可以有效節(jié)省二者之間數(shù)據(jù)交互的時(shí)間消耗，同時(shí)具有低功耗、低費(fèi)用、易于開發(fā)的特點(diǎn)。如何在一個(gè)高異構(gòu)化的計(jì)算平臺上，為TLS協(xié)議設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)⒈?/p>

3、多具有不同特性的計(jì)算設(shè)備包含其中的實(shí)現(xiàn)框架，同時(shí)具有較高可擴(kuò)展性以滿足未來新的計(jì)算硬件的加入，并可以針對不同的硬件特點(diǎn)來進(jìn)行高復(fù)雜度計(jì)算任務(wù)的分配和實(shí)現(xiàn)上的優(yōu)化，從而加速TLS協(xié)議的處理、減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，是一個(gè)非常值得研究并具有前瞻性的課題。
　　本文在網(wǎng)絡(luò)安全越來越重要，輔助計(jì)算硬件越來越多樣化的大背景下，在Intel集成顯卡平臺上，借助開放的異構(gòu)平臺開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)OpenCL，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有可擴(kuò)展性的TLS實(shí)現(xiàn)框架，并將針對該平臺的加

4、解密算法的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)包含其中，以加速有限設(shè)備對TLS協(xié)議的處理速度、減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.網(wǎng)絡(luò)安全背景下對集成顯卡通用計(jì)算特性的探索:相比于高性能的獨(dú)立顯卡，集成顯卡得益于其自身的體系架構(gòu)優(yōu)勢，可以基本消除獨(dú)立顯卡計(jì)算過程中CPU之間數(shù)據(jù)交互所帶來的時(shí)間消耗。本文通過AES算法這一實(shí)例，首先對比了集成顯卡和CPU的執(zhí)行效率，根據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們建議可以將集成顯卡用于AES加密操作的計(jì)算加速以獲得

5、較大增益，但不適用于AES解密運(yùn)算的加速。接著在集成顯卡和獨(dú)立顯卡的對比實(shí)驗(yàn)中，我們展示了集成顯卡由于架構(gòu)特點(diǎn)在功耗和浮點(diǎn)計(jì)算能力尺度上所具有的性能優(yōu)勢。對集成顯卡的這一探索填補(bǔ)了當(dāng)前對其在網(wǎng)絡(luò)安全背景下的通用計(jì)算能力研究的空白。
　　2.RSA并行算法的改進(jìn)與優(yōu)化:詳細(xì)分析了TLS協(xié)議在安全連接建立過程中廣泛使用的RSA解密算法，并對RSA并行算法提出改進(jìn)，同時(shí)針對集成顯卡平臺特性提出了有效的優(yōu)化策略。通過我們的算法改進(jìn)，有效減

6、少了大數(shù)乘法并行計(jì)算中的數(shù)據(jù)同步次數(shù)，這一方面有效減少了數(shù)據(jù)讀寫和等待所帶來的時(shí)間消耗，另一方面增加了兩次同步之間的任務(wù)復(fù)雜度，從而為進(jìn)一步的優(yōu)化提供了空間。通過實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果可以看出，我們的算法實(shí)現(xiàn)使得集成顯卡平臺的能力得到了充分利用，并且運(yùn)用我們提出的算法和優(yōu)化策略的CPU與GPU聯(lián)合計(jì)算方案相比于傳統(tǒng)的僅使用CPU進(jìn)行計(jì)算的解決方案實(shí)現(xiàn)了大約2倍的速度提升。
　　3.異構(gòu)計(jì)算框架和任務(wù)分配策略設(shè)計(jì):借鑒線程池的思想，為TLS

7、協(xié)議設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有可擴(kuò)展性的異構(gòu)計(jì)算框架，同時(shí)提供了針對不同輔助硬件計(jì)算特性的任務(wù)分配策略，使得不同的輔助計(jì)算設(shè)備的計(jì)算能力能夠快速、簡單、有效的被應(yīng)用到整個(gè)系統(tǒng)中，以加速TLS協(xié)議的處理速度。在裝配了CPU和集成GPU的Mini PC這一簡單的異構(gòu)計(jì)算平臺，我們通過實(shí)驗(yàn)對提出的異構(gòu)計(jì)算框架和任務(wù)分配策略的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明集成GPU的加入有效提升了TLS協(xié)議安全連接建立和上層數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。這也體現(xiàn)了集成顯卡在體積受