橢圓曲線加密的硬件實(shí)現(xiàn)

關(guān)鍵詞： FPGA；多項(xiàng)式有限域；橢圓曲線加密系統(tǒng)

加密的安全性
從數(shù)論的角度來說，任何公鑰密碼系統(tǒng)都建立在一個(gè)NP(無法處理的問題)的基礎(chǔ)上，即對(duì)于特定的問題，沒有辦法找到一個(gè)多項(xiàng)式時(shí)間算法求解該問題。一般求解此類問題的算法都是指數(shù)時(shí)間或者亞指數(shù)時(shí)間，例如現(xiàn)在常用的RSA算法就是基于大整數(shù)因式分解問題的難解性。經(jīng)過近三十多年的研究，RSA算法雖然并不存在多項(xiàng)式時(shí)間的算法，但是可以找到亞指數(shù)時(shí)間的算法，目前其密鑰長(zhǎng)度必須大于1024位才能保證信息傳遞的安全，而橢圓曲線加密系統(tǒng) (Elliptic Curve Cryptosystem—ECC) 是目前已知的所有公鑰密碼體制中能夠提供最高比特強(qiáng)度 (Strength-Per-Bit) 的一種公鑰體制，只需要160的密鑰就可以達(dá)到1024位RSA算法提供的安全等級(jí)。其根據(jù)是有限域上的橢圓曲線上的點(diǎn)群中的離散對(duì)數(shù)問題(ECDLP)，許多密碼專家認(rèn)為它是指數(shù)級(jí)的難度。因此對(duì)于橢圓曲線加密系統(tǒng)來說，這一點(diǎn)從計(jì)算量、處理速度、存儲(chǔ)空間和通信帶寬等角度分析，橢圓曲線加密系統(tǒng)都有很大的優(yōu)勢(shì)。IEEE已經(jīng)制定的公鑰加密算法標(biāo)準(zhǔn)P1363就是基于ECC算法的?，F(xiàn)在密碼學(xué)界普遍認(rèn)為它將替代RSA成為通用的公鑰密碼算法，目前已成為研究的熱點(diǎn)，是很有前途的研究方向。

圖1 點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)

圖2 密鑰、數(shù)據(jù)交換

圖3 橢圓曲線加密系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 橢圓曲線加密系統(tǒng)FPGA電路模塊框圖

圖5 驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

橢圓曲線加密體制
橢圓曲線
引進(jìn)Non-supersingular橢圓曲線Weierstrass方程E:Y2+XY=X3+aX2+c其中a,c∈GF(2k),c≠0。為簡(jiǎn)化以后的運(yùn)算，引進(jìn)z使X=x/z；Y=y/z，則橢圓曲線方程化為E:y2z+xyz=x3+ax2z+cz3，定義(x, y, z)=λ(x, y, z)?？梢钥闯霎?dāng)z≠0，(X, Y)和(x, y, z)相對(duì)應(yīng)，當(dāng)z=0可以理解為沿y軸趨向無窮遠(yuǎn)，定義為無窮遠(yuǎn)點(diǎn)O。則橢圓曲線上所有的點(diǎn)外加無窮遠(yuǎn)點(diǎn)構(gòu)成的集合構(gòu)成一個(gè)Abel群，O是單位元(零元)。在橢圓曲線E上定義了兩種點(diǎn)運(yùn)算：點(diǎn)運(yùn)算和點(diǎn)運(yùn)算。
1) 橢圓曲線上點(diǎn)運(yùn)算定義為：設(shè)P=( x1, y1, 1)∈E，Q=( x2, y2, 1) ∈E，-P=( x1, y1+ x1, 1), 當(dāng)Q≠-P時(shí) PQ=(x3, y3, z3) 則
當(dāng)P≠Q(mào)時(shí)：
其中A=(x2z1+x1),B=(y2z1+y1), C=A+B,D=A2(A+a2z1)z1BC
當(dāng)P=Q時(shí)：
其中
2) 橢圓曲線上的點(diǎn)運(yùn)算定義為：設(shè)P=(x1, y1, 1)∈E，(ltlt-1...l0)2是整數(shù)l的二進(jìn)制表示形式，lP=PPAP=Q且Q∈E。
利用上面的點(diǎn)運(yùn)算，得點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)如圖1所示。定義l=logpQ，若P的周期很大，則利用l、P求Q是比較容易的，但利用P、Q求l是很難處理的，這就是ECDLP，橢圓曲線加密就是建立在這個(gè)難題之上。
加密體制
在Diffe-Hellman公鑰系統(tǒng)體制中，具體的橢圓曲線、曲線上點(diǎn)P及P的周期大素?cái)?shù)N都是公開信息。
A和B要進(jìn)行通訊，首先得到橢圓曲線E、點(diǎn)P及素?cái)?shù)N。然后用戶A將[1,N-1]中隨機(jī)選取的整數(shù)a作為私鑰，A將KpubA=aP作為自己的公鑰傳送給用戶B，與此同時(shí)B將 [1,N-1]中隨機(jī)選取的整數(shù)b作為私鑰，并將KpubB=bP作為自己的公鑰傳送給A。A、B各自將自己的私鑰點(diǎn)乘于對(duì)方傳過來的公鑰得到KAB，這樣就完成了密鑰的交換過程。當(dāng)用戶A需要將待傳數(shù)據(jù)m傳送給用戶B時(shí)，A利用m和KAB生成Em，當(dāng)用戶B得到Em后，利用密鑰交換過程自己生成的KAB和從用戶A處得到的加密數(shù)據(jù)Em生成數(shù)據(jù)m。見圖2。

橢圓加密體制實(shí)現(xiàn)
迄今所投入使用的橢圓加密系統(tǒng)中，絕大部分的密鑰長(zhǎng)度都比較短，一般集中在30~60位，這是因?yàn)樵谲浖?shí)現(xiàn)時(shí)，由于軟件執(zhí)行速率所限，密鑰長(zhǎng)度比較大(≥160)的橢圓加密系統(tǒng)的速率將達(dá)不到使用要求。與此同時(shí)，在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，密鑰長(zhǎng)度比較大的橢圓加密系統(tǒng)將耗費(fèi)大量的硬件資源。隨著橢圓加密算法研究的深入和可編程邏輯器件的快速發(fā)展，利用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)橢圓加密系統(tǒng)已經(jīng)是一個(gè)可能的選擇，下面將介紹一種實(shí)現(xiàn)方案，并且用軟、硬件分別實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)以上橢圓加密體制的要求，設(shè)計(jì)出圖3的加密系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中橢圓加密系統(tǒng)參數(shù)接口獲取與加密有關(guān)的橢圓的基本參數(shù)，如私鑰、橢圓曲線、橢圓曲線上的給定點(diǎn)等。橢圓曲線乘法控制部分主要負(fù)責(zé)如何計(jì)算乘法結(jié)果，會(huì)大量調(diào)用PP和PQ來實(shí)現(xiàn)乘法功能；而PP和PQ通過有限域加法、乘法和求逆的調(diào)用得到結(jié)果。
軟件模型驗(yàn)證
軟件實(shí)現(xiàn)的主要目的是為硬件實(shí)現(xiàn)建立驗(yàn)證模型，整個(gè)軟件的結(jié)構(gòu)如圖3所示。在軟件驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程中，有限域上的加法是異或操作。有限域上的乘法和求逆是關(guān)鍵點(diǎn)，必須預(yù)先考慮到硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)的資源消耗，需要高效的算法。在此系統(tǒng)中使用了復(fù)合域GF((2n)m)帶來的特殊性，可以高效、快速的實(shí)現(xiàn)乘法和求逆運(yùn)算。
* GF(2n)上的乘法：A(y)×B(y)=C(Y)modQ(y)，Q(y)為既約多項(xiàng)式。常用的有： Paar-Rosner乘法器、Mastrovito乘法器、Massey-Omura乘法器、Hasan-Bhargava乘法器等，此處介紹兩種選擇：
1) 當(dāng)n比較小時(shí)可用查表法實(shí)現(xiàn)，設(shè)ω為Q(y)=0的本原根，則F2n={0,ω,Aω2n-1}，利用查表法取得A、B的級(jí)次數(shù)a、b，C的級(jí)次c=a+b，再次利用查表法由c得C。在本系統(tǒng)中就使用了此法實(shí)現(xiàn)GF(2n)上的乘法。
2) 當(dāng)n比較大時(shí)，利用查表法資源消耗太大，難以承受，可利用C=Z×B(n比較大時(shí))，Z是由A(y),Q(y)確定的矩陣，其中：

* 復(fù)合有限域的乘法：以GF((24)2)為例，利用GF(24)上的乘法和加法可以構(gòu)造出GF(28)的乘法。子域GF(24)的本原多項(xiàng)式為Q(y)=y4+y+1，第二個(gè)子域的本原多項(xiàng)式為R(z)=z3+z+ω14，其中ω是GF(24)的基底元素，滿足Q(ω)=0。域中兩個(gè)元素的乘法[a0+a1z]×[b0+b1z]可以表示為：

這樣GF((24)2)在復(fù)合域上的乘法就可以通過GF(24)上的有限域的數(shù)學(xué)運(yùn)算而得到。
* 復(fù)合有限域的逆運(yùn)算：復(fù)合有限域GF((2n)m)中的元素A的逆為：
其中
可以觀察到Ar屬于子域GF(2n)中的元素，可以較容易的求取(Ar)-1的值。
FPGA硬件實(shí)現(xiàn)
軟件化的實(shí)現(xiàn)方法開發(fā)時(shí)間短，但是其加密速度比較慢，妨礙了橢圓曲線加密的實(shí)用性。FPGA的方法綜合了軟件的靈活性和硬件的安全性，提供了比軟件化方法優(yōu)越的速度，和傳統(tǒng)的ASIC實(shí)現(xiàn)相比，可編程器件由于其高度的靈活性，更適合于密碼學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域。
在軟件模型的基礎(chǔ)上，我們針對(duì)FPGA硬件的特性對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)橢圓曲線加密算法的要求，對(duì)加密系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊獨(dú)立完成其各自功能，模塊之間進(jìn)行相互數(shù)據(jù)交換以及時(shí)序控制，達(dá)到加密功能。圖4是橢圓曲線加密系統(tǒng)FPGA實(shí)現(xiàn)的電路模塊框圖。
其中，橢圓曲線加密控制系統(tǒng)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。當(dāng)Ready為True時(shí)，系統(tǒng)讀入初始數(shù)據(jù)并且控制RAM進(jìn)行初始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。在運(yùn)算過程中，該模塊根據(jù)數(shù)據(jù)源對(duì)選擇器進(jìn)行控制循環(huán)，進(jìn)行PP=R和PQ=R運(yùn)算，獲得最后結(jié)果，然后通過Out_Ready信號(hào)對(duì)結(jié)果進(jìn)行輸出；選擇器模塊根據(jù)控制系統(tǒng)模塊提供的指令對(duì)PP=R模塊和PQ=R模塊進(jìn)行控制，并且提供相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流；PP=R模塊和PQ=R模塊利用對(duì)有限域上的加法和乘法運(yùn)算進(jìn)行時(shí)序控制求出橢圓曲線上點(diǎn)的加法運(yùn)算，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的速度性能，因此必須對(duì)有限域上的加法和乘法運(yùn)算設(shè)計(jì)合理的輸入輸出數(shù)據(jù)流，以達(dá)到高效率的運(yùn)算速率。各種存儲(chǔ)器模塊根據(jù)不同的指令分別存放系統(tǒng)的初始值、運(yùn)算過程中的中間值以及系統(tǒng)運(yùn)算結(jié)果。
綜合以上各種因素，我們選擇了XILINX 公司的VirtexII器件，ISE 4.1作為開發(fā)平臺(tái)，VHDL作為開發(fā)語言。由于168位的橢圓曲線加密算法的計(jì)算量比較大，所以在FPGA實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，布線是個(gè)值得考慮的因素。對(duì)于FPGA器件的選擇應(yīng)考慮到布線資源，Virtex 系列提供的布線資源比較豐富。在Modelsim上進(jìn)行仿真后得到性能指標(biāo)為：在40MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下第一次加密或者解密時(shí)需要初始的建立時(shí)間，明文或者密文的輸出需要2ms左右，其后的明文或者密文的輸出大約為25Mbps?？梢钥闯?，這是一個(gè)比較高的速率，可以應(yīng)用于很多場(chǎng)合。
應(yīng)用系統(tǒng)驗(yàn)證
橢圓加密硬件實(shí)現(xiàn)后，必須在實(shí)際系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。我們特地構(gòu)造了串口加密實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行驗(yàn)證，整個(gè)驗(yàn)證系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。經(jīng)過實(shí)際系統(tǒng)驗(yàn)證，證明上述橢圓加密體制硬件實(shí)現(xiàn)是成功的。

結(jié)語
公鑰密碼體制由于其運(yùn)算和時(shí)間復(fù)雜性較高，通常用于密鑰管理、密鑰交換、數(shù)字簽名和認(rèn)證等涉及信息較少的場(chǎng)合。目前，被廣泛使用的仍是DES、RSA這樣陳舊的算法，算法的更新不僅可以使本來的密碼戶獲得更好的性能，而且還可以使IC卡、手機(jī)等本來難以實(shí)現(xiàn)密碼算法的領(lǐng)域可以使用密碼技術(shù)來保證信息安全。
橢圓曲線密碼體制(ECC)正在以其更短的密鑰和理論上更高的強(qiáng)度引起業(yè)界的重視，而橢圓曲線密碼體制(ECC)的硬件實(shí)現(xiàn)也將是公鑰密碼體制中的一個(gè)聚焦點(diǎn)。本文雖然已經(jīng)為將來的工作打下了良好的基礎(chǔ)，在以下幾個(gè)方面還有大量的工作需要做。首先是可編程邏輯器件的發(fā)展，以后必然出現(xiàn)能提供更大門數(shù)，能提供更快速率的器件；其次是橢圓曲線密碼體制本身的改進(jìn)；最后是有限域數(shù)學(xué)運(yùn)算的硬件實(shí)現(xiàn)算法的進(jìn)一步改良。隨著以上各個(gè)方面的發(fā)展，將能提供更長(zhǎng)密鑰和更快的數(shù)據(jù)速率的硬件實(shí)現(xiàn)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供更快更安全的加密系統(tǒng)。■

參考文獻(xiàn)：
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5 E.D. Mastrovito. VLSI Architectures for Computations in Galois Fields. Linkoping University. Linkoping, Sweden, 1991

作者簡(jiǎn)歷：胡瑞元，畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，現(xiàn)于中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所小衛(wèi)星工程部攻讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥ㄐ胖械募用?、解密，尤其是算法的硬件?shí)現(xiàn)，信道編碼。