CN112202546B - Sm3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统与方法 - Google Patents

Sm3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统与方法，该系统包括固定存储区域、第一专用寄存器、第二专用寄存器及运算单元；所述的第一专用寄存器、第二专用寄存器可对固定存储区域进行读写操作，运算单元对第一专用寄存器、第二专用寄存器的数值进行运算处理。本发明具有使用寄存器少、功耗消耗低等特点。同时可以缩短运算时间及减少实现面积，即缩减运算轮数以及减少存储器的使用。

Description

SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统与方法
技术领域
本发明涉及信息安全技术领域，具体涉及一种国密SM3密码杂凑算法中对消息扩展的串行优化方法与系统。
背景技术
作为应用最广泛的一类密码算法，密码杂凑(Hash)函数在生产生活中扮演了极其重要的角色，主要应用在对数据进行杂凑运算、数字签名以及消息认证码等许多安全领域，是密码实施、安全协议的重要组成部分。国内外常用的密码杂凑函数有美国国家标准与技术研究所(NIST)发布的SHA-1算法、SHA-2系列算法、SHA-3算法以及国内的SM3密码杂凑算法等。由于杂凑函数密码经常使用在涉及到大量数据处理的场景中，因此对实现的速度及面积、功耗有着很高的要求。
SM3由国家密码管理局于2010年12月17日发布并公开。相关标准为“GM/T 0004-2012《SM3密码杂凑算法》”。在商用密码体系中，SM3主要用于数字签名及验证、消息认证码生成及验证、随机数生成等，其算法公开。据国家密码管理局表示，其安全性及效率与SHA-256相当。SM3也是目前中国商用密码标准体系中唯一的密码杂凑函数，是SM2公钥密码算法、SSL VPN协议等商用密码标准中的关键组成部分。但现有的国密SM3密码杂凑算法需要大量的中间存储值、运算效率低。现有国密SM3密码杂凑算法的实现过程中，通常会采用大量寄存器或存储单元，对消息扩展运算过程中产生的W0-W67，W0’-W63‘进行预计算存储，这样会导致大量寄存器或存储单元利用率低下的问题。本申请从提高存储空间利用率角度出发，将压缩函数中的循环与消息扩展运算有机结合，实现“现用现算，不用不占”的存储方案。并将使用到的存储单元与专用寄存器数量压缩到最小。
发明内容
本发明涉及一种国密SM3密码杂凑算法中对消息扩展的串行优化系统与方法。该方法通过采用固定存储器与专用寄存器结合的存储方式，对SM3密码杂凑算法中的消息扩展过程中的Wj和Wj’进行串行化运算。
SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统，包括固定存储区域、第一专用寄存器、第二专用寄存器及运算单元；所述的第一专用寄存器、第二专用寄存器可对固定存储区域进行读写操作，运算单元对第一专用寄存器、第二专用寄存器的数值进行运算处理。
存储区域可定义为非易失性存储器((Non-Volatile Memory，NVM)或寄存器，亦或为软件实现时的全局变量、局部变量，以下简称为固定存储区域，第一专用寄存器、第二专用寄存器及为32位寄存器，每个地址的存储单元为32比特，运算单元用于实现“
Figure BDA0002711354900000021
”异或运算及“＜＜＜”循环左移运算。
优选的，所述的固定存储区域分为两部分，第一部分包含16个存储单元，地址编号为0-15，用来对初始消息分组B划分出来的16个字W0至W15以及后续64轮运算中产生的W16至W67、W′0至W′63中间值进行存储；第一部分包含2个存储单元，地址编号为16和17，用来存储后续压缩函数步骤中TT1和TT2所分别用到的W′j和Wj，即运算结果。
SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化方法，包括如下步骤：
步骤一、将消息分组B划分的16个字W0至W15按照地址顺序写入固定存储区域地址编号为0-15的16个存储单元；
步骤二、在64轮压缩函数的循环中，分为两路进行计算，一路为W′j的计算，从W′0开始，另一路为Wj的计算，从W16开始；根据SM3密码杂凑算法协议，
Figure BDA0002711354900000031
Figure BDA0002711354900000032
Figure BDA0002711354900000033
将计算得到的W′j写回TT1地址的固定存储单元；将计算得到的Wj写回TT2地址的固定存储单元。
本发明中的方法与结构通过对运算的串行化处理，可极大的减少对中间值的存储，其原理为利用循环中的迭代特性，以达到对存储区域的复用。另外通过本发明中的方法，可将原本67轮的循环迭代缩减至64轮。因此本方法可极大的提高运算效率，减小实现面积，广泛适用于使用SM3密码杂凑算法参与的软件或硬件环境中，尤其是对功耗和实现面积有要求的金融IC智能卡及可信计算中的可信密码模块(Trusted Cryptography Module，TCM)和可信平台控制模块(Trusted Platform Control Model，TPCM)。
本发明具有使用寄存器少、功耗消耗低等特点。同时可以缩短运算时间及减少实现面积，即缩减运算轮数以及减少存储器的使用。
附图说明
图1为SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统总体架构图；
图2为SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统存储单元地址映射图。
NVM/Register：固定存储单元。
0_00：固定存储单元的地址。
ALU：运算单元。
Figure BDA0002711354900000041
32比特异或运算。
<<<：循环左移运算。
Reg1：第一专用寄存器。
Reg2：第二专用寄存器。
具体实施方式
在SM3密码杂凑算法中，消息扩展按照如下定义：将消息分组B(i)按以下方法扩展生成132个字W0,W1,…W67,W’0,W’1,…W’63，用于压缩函数CF：
A)将消息分组B(i)划分为16个字W0,W1,…W15。
For j＝16 To 67
Figure BDA0002711354900000042
B)End For
For j＝0 To 63
Figure BDA0002711354900000043
C)End For
其中，符号及字符释义为：
B(i)：第i个消息分组
CF：压缩函数
字(word)：长度为32的比特串
P1：消息扩展中的置换函数，
Figure BDA0002711354900000051
式中的X为字
Figure BDA0002711354900000052
32比特异或运算
<<<k：循环左移k比特运算
根据以上定义，通常在对SM3密码杂凑算法进行实现的过程中，需要先计算16-67轮的Wj需要52轮运算，再计算W’j需要64轮运算。另外，需要使用132个字的存储器对W0,W1,…W67,W’0,W’1,…W’63计算结果进行存储，运算轮数太多导致运算时间太长，对结果数据的存储导致实现面积过大。
本发明涉及一种国密SM3密码杂凑算法中对消息扩展的串行优化系统与方法。该方法通过采用固定存储器与专用寄存器结合的存储方式，对SM3密码杂凑算法中的消息扩展过程中的Wj和Wj’进行串行化运算。
如图1所示，SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统，包括固定存储区域、第一专用寄存器、第二专用寄存器及运算单元；所述的第一专用寄存器、第二专用寄存器可对固定存储区域进行读写操作，运算单元对第一专用寄存器、第二专用寄存器的数值进行异或运算及左移运算。
所述的固定存储区域分为两部分，18个存储单元，第一部分包含16个存储单元，地址编号为0-15，用来对初始消息分组B划分出来的16个字W0至W15以及后续64轮运算中产生的W16至W67、W′0至W′63中间值进行存储；第一部分包含2个存储单元，地址编号为16和17，用来存储后续压缩函数步骤中TT1和TT2所分别用到的W′j和Wj，即运算结果。
SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统进行优化的方法，包括如下步骤：
步骤一、将消息分组B划分的16个字W0至W15按照地址顺序写入固定存储区域地址编号为0-15的16个存储单元；
步骤二、在64轮压缩函数的循环中，分为两路进行计算，一路为W′j的计算，从W′0开始，另一路为Wj的计算，从W16开始；根据SM3密码杂凑算法协议，
Figure BDA0002711354900000061
Figure BDA0002711354900000062
Figure BDA0002711354900000063
将计算得到的W′j写回TT1地址的固定存储单元；将计算得到的Wj写回TT2地址的固定存储单元。
进一步，所述步骤二中计算W′j的具体过程为：从地址为rd_addr′1存储单元中读取Wj到第一专用寄存器Reg1，从地址为rd_addr′2存储单元中读取Wj+4到第二专用寄存器Reg2，然后由Reg1和Reg2进行相异或操作，得到的结果W’j写回TT1地址的固定存储单元。
W’j计算过程如下：
(1)reg1＝Wj
(2)reg2＝Wj+4
(3)
Figure BDA0002711354900000071
(4)W’j←TT1
进一步，所述步骤二中计算Wj的具体过程为：
(1)从地址为rd_addr(Wj-16)、rd_addr(Wj-9)的存储单元中分别读取Wj-16、Wj-9的值到Reg1和Reg2，计算
Figure BDA0002711354900000072
结果写回到TT2地址的存储单元中；
(2)从地址为rd_addr(Wj-3)读取Wj-3的值到Reg1并进行循环移位操作后，与TT2地址的值进行异或操作，得到的结果写回TT2地址的存储单元中；
(3)将TT2地址的存储单元中的数据按串行方式逐步进行
Figure BDA0002711354900000073
操作,得到结果写回TT2地址的存储单元中；
(4)从地址为rd_addr(Wj-13)、rd_addr(Wj-6)的存储单元分别读取Wj-13、Wj-6的值到Reg1和Reg2,运算结果与TT2地址数据进行异或，得到结果即为Wj并写回TT2地址的存储单元中。
Wj计算过程如下：
(1)reg1＝Wj-16
(2)reg2＝Wj-9
(3)
Figure BDA0002711354900000081
(4)reg1＝Wj-3＜＜＜15
(5)reg2＝TT2
(6)
Figure BDA0002711354900000082
(7)reg1＝TT2＜＜＜15
(8)
Figure BDA0002711354900000083
(8)reg1＝TT2＜＜＜23
(7)
Figure BDA0002711354900000084
(8)reg1＝Wj-13＜＜＜7
(9)
Figure BDA0002711354900000085
(10)reg1＝Wj-6
(11)
Figure BDA0002711354900000086
(12)Wj←TT2
对Wj和W’j的计算进行进一步说明，如图2所示，本发明中，由于在开始循环计算W’j时，Wj从W16开始计算，这样在后面计算W’j用到W16-W67时，W16-W67的计算结果已经写入固定存储单元中了，因此本发明将原本整体需要116轮的运算缩减至64轮。
进一步，所述64轮压缩函数循环中，将循环分为四个阶段进行计算：
(1)一阶段为j＝0-15，计算W’0-W’15，每个计算结果保存在固定存储区域的TT1地址单元中；计算W16-W31，每个计算结果保存在固定存储区域的0_00-0_0F地址单元中；需要注意的是，在j＝12时，
Figure BDA0002711354900000087
里面所用到的W16在j＝0时已经计算完毕并保存在地址为0_00的固定存储单元中。
(2)二阶段为j＝16-31，计算W’16-W’31，每个计算结果保存在固定存储区域的TT1地址单元中；计算W32-W47，每个计算结果保存在固定存储区域的0_00-0_0F地址单元中；
(3)三阶段为j＝32-47，计算W’32-W’47，每个计算结果保存在固定存储区域的TT1地址单元中；计算W48-W63，每个计算结果保存在固定存储区域的0_00-0_0F地址单元中；
(4)四阶段为j＝48-63，计算W’48-W’63，每个计算结果保存在固定存储区域的TT1地址单元中；计算W64-W67，每个计算结果保存在固定存储区域的0_00-0_03地址单元中。
最终完成64轮运算过后，结束计算，完成消息扩展过程。
根据以上描述，这样就把本应116轮计算的消息扩展步骤，缩减为64轮运算，大大减少运算的时间与功耗。

Claims (6)

1.SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统，其特征在于：包括固定存储区域、第一专用寄存器、第二专用寄存器及运算单元；所述的第一专用寄存器、第二专用寄存器可对固定存储区域进行读写操作，运算单元对第一专用寄存器、第二专用寄存器的数值进行运算处理；所述的固定存储区域分为两部分，第一部分包含16个存储单元，地址编号为0-15，用来对初始消息分组B划分出来的16个字W0至W15以及后续64轮运算中产生的W16至W67、W’0至W’63中间值进行存储；第二部分包含2个存储单元，地址编号为16和17，用来存储后续压缩函数步骤中TT1和TT2所分别用到的W'j和Wj，即运算结果；
计算Wj的具体过程为：
(1)从地址为rd_addr(Wj-16)、rd_addr(Wj-9)的存储单元中分别读取Wj-16、Wj-9的值到Reg1和Reg2，计算
Figure QLYQS_1
结果写回到TT2地址的存储单元中；
(2)从地址为rd_addr(Wj-3)读取Wj-3的值到Reg1并进行循环移位操作后，与TT2地址的值进行异或操作，得到的结果写回TT2地址的存储单元中；
(3)将TT2地址的存储单元中的数据按串行方式逐步进行
Figure QLYQS_2
操作,得到结果写回TT2地址的存储单元中；
(4)从地址为rd_addr(Wj-13)、rd_addr(Wj-6)的存储单元分别读取Wj-13、Wj-6的值到Reg1和Reg2,运算结果与TT2地址数据进行异或，得到结果即为Wj并写回TT2地址的存储单元中。
2.根据权利要求1所述的SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统，其特征在于：所述的固定存储区域包含18个存储单元。
3.根据权利要求1所述的SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统，其特征在于：所述的运算单元用于实现异或运算及循环左移运算。
4.根据权利要求1所述的SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统进行优化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将消息分组B划分的16个字W0至W15按照地址顺序写入固定存储区域地址编号为0-15的16个存储单元；
步骤二、在64轮压缩函数的循环中，分为两路进行计算，一路为W'j的计算，从W'0开始，另一路为Wj的计算，从W16开始；根据SM3密码杂凑算法协议，
Figure QLYQS_3
，j＝0,1,…,63，
Figure QLYQS_4
，j＝16,17,…,67；
将计算得到的W'j写回TT1地址的固定存储单元；将计算得到的Wj写回TT2地址的固定存储单元。
5.根据权利要求4所述的SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统进行优化的方法，其特征在于，所述步骤二中计算W'j的具体过程为：从地址为rd_addr1'存储单元中读取Wj到第一专用寄存器Reg1,从地址为rd_addr'2存储单元中读取Wj+4到第二专用寄存器Reg2,然后由Reg1和Reg2进行相异或操作，得到的结果W'j写回TT1地址的固定存储单元。
6.根据权利要求4所述的SM3密码杂凑算法消息扩展串行优化系统进行优化的方法，其特征在于，所述64轮压缩函数循环中，将循环分为四个阶段进行计算：
(1)一阶段为j＝0-15，计算W’0-W’15，每个计算结果保存在固定存储区域的TT1地址单元中；计算W16-W31，每个计算结果保存在固定存储区域的0_00-0_0F地址单元中；
(2)二阶段为j＝16-31，计算W’16-W’31，每个计算结果保存在固定存储区域的TT1地址单元中；计算W32-W47，每个计算结果保存在固定存储区域的0_00-0_0F地址单元中；
(3)三阶段为j＝32-47，计算W’32-W’47，每个计算结果保存在固定存储区域的TT1地址单元中；计算W48-W63，每个计算结果保存在固定存储区域的0_00-0_0F地址单元中；
(4)四阶段为j＝48-63，计算W’48-W’63，每个计算结果保存在固定存储区域的TT1地址单元中；计算W64-W67，每个计算结果保存在固定存储区域的0_00-0_03地址单元中。
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