FPGA芯片EP2S90F1508C3實現(xiàn)SM3算法的硬件實現(xiàn)策略

在分析SM3算法的基礎(chǔ)上詳細介紹了目前Hash函數(shù)的4種硬件實現(xiàn)策略，同時給出了迭代方式和基于充分利用時鐘周期的循環(huán)展開方式下的FPGA實現(xiàn)。該循環(huán)展開方式有效地減少了一半的工作時鐘數(shù)和11%的運算時間，吞吐量提高了11%，且占用的硬件資源較少。

Hash函數(shù)是密碼學(xué)中最基本的模塊之一，在密碼學(xué)中扮演著極其重要的角色，廣泛應(yīng)用于數(shù)字簽名、消息鑒別和偽隨機數(shù)生成器等領(lǐng)域，是近幾年密碼學(xué)研究的熱點領(lǐng)域[1]。Hash函數(shù)是將任意長度的信息通過算法變成固定長度的輸出，且這個變換過程是不可逆的。Hash函數(shù)的不可逆特性使得攻擊者不能通過Hash值推出任何部分的原始信息。因為對于原始信息中的任意一個比特數(shù)據(jù)發(fā)生改變，其Hash值都將發(fā)生明顯變化。此外，Hash函數(shù)還具有碰撞約束性，即不能找到一個輸入使其輸出結(jié)果等于一個已知的輸出結(jié)果，或者不能同時找到兩個不同的輸入使其輸出結(jié)果完全一致。正是這些特性，使得Hash值可以用來驗證信息是否被修改。

1 SM3算法簡介

為了滿足電子認證服務(wù)系統(tǒng)等應(yīng)用需求，國家密碼管理局于2010年12月發(fā)布了SM3密碼Hash算法。該算法適用于商用密碼應(yīng)用中的數(shù)字簽名和驗證、消息認證碼的生成與驗證以及隨機數(shù)的生成，可滿足多種密碼應(yīng)用的安全需求。SM3算法能夠?qū)θ魏涡∮?64 bit的數(shù)據(jù)進行計算，輸出長度為256 bit的Hash值。SM3算法包括預(yù)處理、消息擴展和計算Hash值三部分。預(yù)處理部分由消息填充和消息分組兩部分組成。首先將接收到的消息末尾填充一個“1”，再添加k個“0”，使得填充后的數(shù)據(jù)成為滿足Length=448 mod 512 bit的數(shù)據(jù)長度，再在末尾附上64 bit消息長度的二進制表示數(shù)，然后將消息分成512 bit的子塊，最后將每個512 bit的消息子塊擴展成132個字W0，W1，…，W67，W0′，W1′，…，W63′用于Hash值的計算。SM3算法計算流程圖如圖1所示。

SM3算法的Hash運算主要是在壓縮函數(shù)部分，壓縮函數(shù)共包含64輪，每輪包括12步運算，64輪循環(huán)計算結(jié)束后，再將計算結(jié)果與輸入到本輪計算的初始數(shù)據(jù)進行異或運算，即上一次Hash運算的Hash值輸出Hi與輸入到本輪計算的初始數(shù)據(jù)異或得到本次Hash值輸出Hi+1。Hn即為最終的Hash值，H0為設(shè)計者提供的初始值IV。2 Hash算法的硬件實現(xiàn)策略在通過FPGA編程實現(xiàn)Hash算法過程中，提高吞吐量以及減少硬件資源占用是衡量硬件實現(xiàn)算法的重要指標(biāo)，高效率、低功耗以及面積優(yōu)化設(shè)計都是FPGA設(shè)計中最受關(guān)注的方面。目前為止，Hash算法的FPGA實現(xiàn)策略大致有以下4種方式[1-2]，如圖2所示。

（1）迭代方式：該方式將單步運算的結(jié)果重新反饋到輸入端，在節(jié)約硬件資源的同時造成了較大的時延，雖然效率較低，但比較實用。?。?）循環(huán)展開方式：該方式根據(jù)算法的具體特性，將多步運算合并成單步運算，以加大并行運算規(guī)模的方式來提高單步運算的效率?！。?）流水線方式：該方式將所有單步運算全部在時鐘的控制下予以實現(xiàn)，每個時鐘均有輸出。全流水線時的吞吐量達到最高，但是硬件資源消耗相當(dāng)大。由于Hash函數(shù)的運算特點，該方式很少在實際中使用。?。?）混合方式：該方式實現(xiàn)的算法能在面積和速度上取得平衡。

3 SM3算法的FPGA實現(xiàn)

由于SM3算法消息擴展部分的軟硬件實現(xiàn)的效率相差不大，因此本文著重討論該算法的計算部分在FPGA上的兩種實現(xiàn)方式。

3.1 迭代方式

由于SM3算法的每輪計算過程大致相同，因此可以采用迭代方式實現(xiàn)。實現(xiàn)過程中，將存放常數(shù)Tj和IV的常量矩陣?yán)?a href="http://wenjunhu.com/tags/rom/" target="_blank">ROM結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。分析SM3算法的消息擴展和壓縮函數(shù)的計算過程與特點可以看出，預(yù)先通過組合邏輯計算全部W0，W1，…，W67，W0′，W1′，…，W63′的值需要消耗大量的硬件資源。而在每輪的壓縮函數(shù)計算過程中，只需使用相應(yīng)的一組Wj和Wj′，因此便無需預(yù)先將W0，W1，…，W67，W0′，W1′，…，W63′值全部計算出來，可以利用時鐘的控制，在每次運算壓縮函數(shù)之前，預(yù)先計算將要被使用的一組Wj和Wj′，顯然這將使獲得每輪壓縮函數(shù)運算結(jié)果消耗2個時鐘周期。加上初始值的輸入、明文輸入以及Hash結(jié)果輸出共消耗的3個時鐘周期，采用迭代方式進行一次SM3算法需要消耗1+1+1+64×2=131個時鐘周期。

3.2 循環(huán)展開方式

仔細分析SM3算法的運算過程及迭代方式實現(xiàn)SM3算法的設(shè)計過程可知，時間主要耗費在消息擴展和壓縮函數(shù)的計算上[3]。在SM3算法的迭代方式實現(xiàn)中，每輪壓縮函數(shù)的運算和消息擴展運算中均需消耗一個時鐘周期，尤其是在進行消息擴展過程中，每組Wj和Wj′計算量都比較小，利用一個時鐘周期去進行運算實在過于浪費。如果在一個時鐘周期里進行兩組Wj和Wj′的計算，同時把一個時鐘中本來只進行一輪壓縮函數(shù)的運算也增加到兩輪，這樣不僅能更充分地利用一個時鐘周期提高計算速度，而且整個SM3算法核心運算過程的時鐘消耗也將縮短到64個時鐘周期。

3.3 FPGA實現(xiàn)結(jié)果

本文采用Altera公司Stratix II系列的EP2S90F1508C3芯片，以Quartus II 8.1為開發(fā)環(huán)境[4]，采用硬件描述語言VHDL進行SM3算法的FPGA實現(xiàn)。SM3算法實現(xiàn)的整體結(jié)構(gòu)可分為庫函數(shù)模塊和主程序模塊兩大模塊[1，5]。在SM3算法庫函數(shù)模塊中定義了6個左循環(huán)移位函數(shù)ROL7、ROL9、ROL12、ROL15、ROL19、ROLk和4個函數(shù)FF、GG、P0、P1，均用組合邏輯資源實現(xiàn)，常數(shù)Tj和IV的常量矩陣?yán)肦OM結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。主程序中定義了實體端口（如圖3所示），編譯生成的模塊圖如圖4所示。用狀態(tài)機對運算過程進行控制，SM3算法的主程序中包含了s00、s01、s02、s03、s04和s05 6個狀態(tài)。

以2010年12月國家密碼管理局發(fā)布SM3算法所附錄的運算示例中提供的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，將實驗仿真所得到的計算數(shù)據(jù)與該標(biāo)準(zhǔn)進行對照，對于一個512 bit分組和兩個512 bit分組，采用迭代方式實現(xiàn)和采用循環(huán)展開方式實現(xiàn)均計算出了正確的Hash值“66c7f0f4 62eeedd9 d1f2d46b dc10e4e2 4167c487 5cf2f7a2 297da02b 8f4ba8e0”和“debe9ff9 2275b8a1 38604889 c18e5a4d 6fdb70e5 387e5765 293dcba3 9c0c5732”。實驗仿真結(jié)果分別如圖5~圖8所示。