GF(2m)域橢圓曲線密碼系統(tǒng)芯片的實現(xiàn)與安全防護.pdf

1、由于公鑰密碼算法能解決信息安全中的私鑰密碼系統(tǒng)無法完成的身份識別、數(shù)字簽名功能和私鑰密碼系統(tǒng)自身的密鑰分配難題而成為密碼研究的新方向。橢圓曲線密碼系統(tǒng)(Elliptic Curve Cryptosystem,ECC)是基于橢圓曲線離散對數(shù)難題的一種密碼體制,被稱為下一代的公開密鑰密碼算法。與傳統(tǒng)的RSA公鑰密碼體制相比,在同樣的安全強度時具有密鑰短、計算速度快、存儲空間小等優(yōu)點,有著廣泛的應(yīng)用前景。但由于ECC算法的復(fù)雜性,軟件實現(xiàn)在很

2、多應(yīng)用場合性能很難達到要求,因此如何設(shè)計適用于不同平臺的ECC芯片是應(yīng)用ECC的首要關(guān)鍵問題;另一方面隨著密碼系統(tǒng)的旁路分析攻擊技術(shù)的發(fā)展,使得ECC芯片實現(xiàn)時面臨嚴(yán)重的安全威脅,因此如何對ECC芯片進行安全防護也成為重要的研究課題。本文針對ECC的這兩個問題展開的相關(guān)研究具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。
　　首先,選擇了特別適合硬件實的GF(2m)域上的橢圓曲線作為研究對象。通過對ECC的核心—標(biāo)量乘的各種算法進行研究,得到Lopez

3、-Dahab算法為一種最優(yōu)的快速算法,該算法硬件實現(xiàn)的關(guān)鍵是芯片的頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限域上運算的實現(xiàn)。
　　其次,對實現(xiàn)ECC的基礎(chǔ)運算,GF(2m)域上的運算進行了深入的研究,實現(xiàn)了有限域上的加、平方、求逆運算。對關(guān)鍵的有限域乘,在實現(xiàn)了串行、并行和數(shù)位并行的基礎(chǔ)上,為解決實現(xiàn)高性能ECC芯片時,數(shù)值較大時數(shù)位并行模乘的關(guān)鍵路徑延時增大的問題,提出了一種分組并行的數(shù)位有限域模乘算法,來減少關(guān)鍵路徑的延時。
　　再次,針對高性

4、能和面積能耗約束下的兩個不同領(lǐng)域的ECC的應(yīng)用需求,提出了不同的芯片結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方案。在高性能實現(xiàn)時,在以前的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過逐次深入的研究,提出了三種不同的高性能實現(xiàn)方案分別是:優(yōu)化的并行實現(xiàn)結(jié)構(gòu);兩個模乘并行的實現(xiàn)結(jié)構(gòu);一個模乘的優(yōu)化實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。通過實現(xiàn)結(jié)果和相關(guān)文獻比較,這三種結(jié)構(gòu)具有面積或性能的優(yōu)勢。在面積和能耗約束下的領(lǐng)域,以應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的ECC為研究對象,為解決保證一定的性能要求的同時如何減少芯片的面積和能耗這個

5、新問題而進行了研究。提出整體結(jié)構(gòu)采用串行實現(xiàn)來減少面積,在面積和能耗進行權(quán)衡時,如何解決關(guān)鍵的模乘的結(jié)構(gòu)問題,則通過實驗進行比較,最后得到了最優(yōu)化的結(jié)果。
　　最后,對ECC芯片實現(xiàn)威脅最大的旁路分析攻擊技術(shù)進行了研究,特別是對功耗分析攻擊技術(shù)對ECC的攻擊和安全防護技術(shù),通過試驗平臺以前面的ECC串行實現(xiàn)結(jié)構(gòu)為研究對象進行了詳細(xì)的探討。通過理論和試驗都證明了Lopez-Dahab標(biāo)量乘算法完全能抵抗簡單功耗分析攻擊。對差分功耗分