CN114124389B - 一种基于可重构计算的国密算法fpga部署方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法及系统，包括：获取多种国密算法的IP核；根据加密算法的占用资源、功耗和速度需求，确定FPGA的运行模式，其中，所示运行模式包括普通运行模式、高速运行模式、节能运行模式和指定运行模式；根据不同的运行模式，完成国密算法的IP核在FPGA中的部署；本公开能够利用可重构运行机制最大化利用2的硬件资源，按需部署多种国密算法的IP核，提供最优的国密算法IP核，满足不同时段、不同业务在高速以及节能等运行模式下，对加密算法的资源、功耗和速度的需求。
Description
技术领域
本公开属于可重构安全技术领域，尤其涉及一种基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法及系统。
背景技术
目前，密码算法系统的设计实现主要有3大类：基于通用微处理器的软件实现、基于专用集成电路的专用密码芯片化及可重构密码处理系统设计；其中，通用微处理器软件实现方式灵活性高，但算法处理效率慢；专用密码芯片运算速度快，但存在灵活性差、实现算法种类少、开发成本高和难以更新升级等缺点。相比于上述两种方法，可重构密码处理系统则能够在高效性与灵活性平衡；可重构计算技术应用于密码处理系统，使同一硬件实现多种密码算法，既满足了密码算法处理对性能的要求，同时又具有较高的灵活性，提高了密码系统的安全性；可重构计算技术通常依赖于FPGA(Field Programmable Gate Array)技术。
本公开发明人发现，FPGA的硬件资源是有限的，所能部署国密算法的数目也是有限；在面临多种业务需求时，存在如何利用有限资源满足所需的国密算法加密、签名和哈希等运算需求的问题。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法及系统，本公开实现了最大化利用FPGA的硬件资源，利用可重构运行机制，灵活部署国产非对称密码算法SM2、国产对称密码算法SM4、国产哈希密码算法SM3和国产标识算法SM9的IP核，按需组合实现国产非对称加解密、对称加密、哈希运算和标识运算等秘密功能，满足了不同时段、不同业务在资源、功耗和速度的需求。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本公开提供了一种基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法，包括：
获取多种国密算法的IP核；
根据加密算法的占用资源、功耗和速度需求，确定FPGA的运行模式，其中，所示运行模式包括普通运行模式、高速运行模式、节能运行模式和指定运行模式；
根据不同的运行模式，完成国密算法的IP核在FPGA中的部署。
进一步的，多种国密算法至少包括国产非对称密码算法、国产对称密码算法、国产哈希密码算法和国产标识算法。
进一步的，资源需求是指显示查找表、触发器和块随机存储器方面的资源量。
进一步的，在所述普通运行模式下，放置IP核空间最小的四类算法。
进一步的，在所述高速运行模式下，各算法运行速度要求最大化；约束条件为：选用的IP核所占用的资源，不能超过当前FPGA资源的总量；以及选用的IP核满足当前所有算法的加密任务需求。
进一步的，在所述节能运行模式下，各算法运行功耗处于最小运行状态；约束条件为：选用的IP核所占用的资源，不能超过当前FPGA资源的总量；以及选用的IP核满足当前所有算法的加密任务需求。
进一步的，在所述指定运行模式下，需要指定所需运行的加密算法，并对加密需求向量进行赋值；指定运行高速模式或节能模式，分别运用对应模型进行求解及部署工作。
第二方面，本公开还提供了一种基于可重构计算的国密算法FPGA部署系统，包括数据采集模块、运行模式确定模块和部署模块；
所述数据采集模块，被配置为：获取多种国密算法的IP核；
所述运行模式确定模块，被配置为：根据加密算法的占用资源、功耗和速度需求，确定FPGA的运行模式，其中，所示运行模式包括普通运行模式、高速运行模式、节能运行模式和制定运行模式；
所述部署模块，被配置为：根据不同的运行模式，完成国密算法的IP核在FPGA中的部署。
第三方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法的步骤。
第四方面，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开能够利用可重构运行机制最大化利用FPGA的硬件资源，按需部署多种国密算法的IP核，提供最优的国密算法IP核，满足不同时段、不同业务在高速以及节能等运行模式下，对加密算法的资源、功耗和速度的需求。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本公开实施例1的FPGA可重构计算机制；
图2为本公开实施例1的基于可重构计算的国密算法FPGA系统；
图3为本公开实施例1的基于可重构计算平台的运行模式转换模式。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
随着电力物联网的深入建设，越来越多的设备将接入到电力物联网中，电力物联网将在通信信道的隐私保护、设备的认证与访问控制以及海量数据的网络安全传输等方面面临安全问题；密码是保障网络安全的核心技术和基础支撑，没有密码就没有网络安全。然而，当前国内业界通常采用他国加密算法，如SHA-256和AES等算法，由于某些设计原理不公开可能存在一定的安全隐患，国产密码算法将是提高电力物联网网络安全性的重要保障；与此同时，伴随着电力大数据时代的到来，本地数据与云服务器高速通信过程中不仅要满足自主安全性，对加密实时性也提出了更高的要求，密码处理系统的数据吞吐能力直接决定了信息安全系统密码算法顺利完成；如何快速、高性能且低功耗的运行国密算法是当前研究的热点之一。
正如背景技术中记载了，目前，密码算法系统的设计实现主要有3大类：基于通用微处理器的软件实现、基于专用集成电路的专用密码芯片化及可重构密码处理系统设计。其中，通用微处理器软件实现方式灵活性高、但算法处理效率慢。专用密码芯片运算速度快，但存在灵活性差、实现算法种类少、开发成本高、难以更新升级等缺点。相比于上述两种方法，可重构密码处理系统则能够在高效性与灵活性平衡；可重构计算技术应用于密码处理系统，使同一硬件实现多种密码算法，既满足了密码算法处理对性能的要求，同时又具有较高的灵活性，提高了密码系统的安全性；可重构计算技术通常依赖于FPGA技术。
然而，FPGA的硬件资源是有限的，所能部署国密算法的数目也是有限；在面临多种业务需求时，存在如何利用有限资源满足所需的国密算法加密、签名和哈希等运算功能需求的问题。
实施例1：
本实施例提供了一种基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法，包括：
获取多种国密算法的IP核；
根据加密算法的占用资源、功耗和速度需求，确定FPGA的运行模式，其中，所示运行模式包括普通运行模式、高速运行模式、节能运行模式和指定运行模式；
根据不同的运行模式，完成国密算法的IP核在FPGA中的部署。
在本实施例中，多种国密算法至少包括国产非对称密码算法、国产对称密码算法、国产哈希密码算法和国产标识算法。
本实施例的具体实现过程为：
如图1所示，为本实施例中的FPGA可重构计算机制；如图2所示，为本实施例中设计的基于可重构计算的国密算法FPGA系统，整个安全通信架构由国产非对称密码算法SM2、国产对称密码算法SM4、国产哈希密码算法SM3和国产标识算法SM9的不同IP核，FPGA硬件平台及不同安全业务构成。
步骤1：系统初始化：
步骤1-1，开发人员利用Verilog或VHDL分别生成不同FPGA IP核:国产非对称密码算法SM2(SM1j)、国产对称密码算法SM4(SM2j)、国产哈希密码算法SM3(SM3j)、国产标识算法SM9(SM4j)。SMij中，下标i分别代表不同的国产密码算法，下标j代表该类算法的第j个实现；
步骤1-2，这些IP核在运行实现密码功能时，具有不同运行性能Vij、运行功耗Pij；
步骤1-3，由于运行速度不同，这些IP核实现时具有不同FPGA资源需求，表示为显示查找表Look-Up Tables(LUTs)、触发器Flip-Flops(FF)和块随机存储器Block RAM(BRAM)方面的资源量，表示为LUTij、FFij和BRij，且LUT、FF和BR表示为该FPGA平台的LUTs、FF、BRAM方面资源的总量；
步骤1-4，以上IP核存储于FPGA系统的硬盘存储资源中。
步骤2：系统初始化：
步骤2-1：业务运行过程中，当存在多种加密任务Tk时，首先需要明确国密算法加速需求，统计为非对称加密算法、对称加密算法/>、哈希算法/>、标识密码算法/>，这类需求取值为：
以上任务构成加密需求矩阵N＝{N1，N2，N3，N4}，其中
步骤2-2：根据当前系统状态，确定当前系统的运行模式，分为四种类型：
步骤2-3：系统初始运行即为M0普通运行模式，系统放置IP核空间最小的四类算法各1例，此时IP核为
步骤3：系统高速运行模式：
步骤3-1：当运行为M1时，要求整个FPGA的各算法性能处于最优状态，算法运行速度要求最大化，依据下述速率最优化模型对此时IP核进行建模：
Max∶∑SMijVijCij
约束如下：
其中，
前三个约束条件要求，所选用的IP核所占用的LUTs、FF、BRAM方面资源，不能超过当前FPGA的总量；最后一个约束条件，要求所选用的IP核能够满足当前所有Tk的加密任务需求；
步骤3-2：对上述整数线性规划进行求解，得到最优IP核部署方案，
此时与当前状态Mi进行比较。若相符和，继续当前系统状态运行；若完全不相符，进行全局动态重构；否则，将不相同的IP核进行局部动态重构后，继续运行。
步骤4：系统节能运行模式
步骤4-1：当运行为M2节能运行模式时，要求整个FPGA的各算法运行功耗处于最小运行状态，算法运行功耗要求最小化，依据下述功率最优化模型对此时IP核进行可重构：
Min:ΣSMijPijCij
约束如下：
其中，
前三个约束条件要求，所选用的IP核所占用的LUTs、FF、BRAM方面资源，不能超过当前FPGA的总量；最后一个约束条件，要求所选用的IP核能够满足当前所有Tk的加密任务需求；
步骤4-2：对上述整数线性规划进行求解，得到最优IP核部署方案，
此时与当前状态Mi进行比较。若相符和，继续当前系统状态运行；若完全不相符，进行全局动态重构；否则，将不相同的IP进行局部动态重构。
步骤5：系统指定运行模式：
步骤5-1：系统指定运行模式时，需要指定所需运行的加密算法，并对加密需求向量N进行赋值；
步骤5-2：指定运行高速或节能模式，分别运用对应模型进行求解及部署工作。
步骤6：系统运行状态切换：
步骤6-1：当系统处于普通状态或指定运行模式时，其IP核固定不变，无需根据当前任务状态进行转换；
步骤6-2：当系统运行模式切换时，分别运行切换模式后状态的最优模型部署优化；
步骤6-3：当处于高速或节能模式时，即Mi，i＝1或2，实时统计新来任务Tk的加密需求，周期性更新加密需求向量N。当对某加密算法有需求，而Ni＝0时，进行此状态下的最优模型部署优化。当间隔一定周期Time后，当前所提供的加密功能超出加密需求向量N时，进行加密需求向量N下的最优模型部署优化；
本实施例能够利用可重构运行机制最大化利用FPGA的硬件资源，按需部署国产非对称密码算法SM2、国产对称密码算法SM4、国产哈希密码算法SM3、国产标识算法SM9的IP核，提供最优的国密算法IP核，满足了不同时段、不同业务在高速、节能等运行模式下，对加密算法的资源、功耗和速度的需求。
实施例2：
本实施例提供了一种基于可重构计算的国密算法FPGA部署系统，包括数据采集模块、运行模式确定模块和部署模块；
所述数据采集模块，被配置为：获取多种国密算法的IP核；
所述运行模式确定模块，被配置为：根据加密算法的占用资源、功耗和速度需求，确定FPGA的运行模式，其中，所示运行模式包括普通运行模式、高速运行模式、节能运行模式和制定运行模式；
所述部署模块，被配置为：根据不同的运行模式，完成国密算法的IP核在FPGA中的部署。
实施例3：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法的步骤。
实施例4：
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法的步骤。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法，其特征在于，包括：
获取多种国密算法的IP核；
根据加密算法的占用资源、功耗和速度需求，确定FPGA的运行模式，其中，所示运行模式包括普通运行模式、高速运行模式、节能运行模式和指定运行模式；
根据不同的运行模式，完成国密算法的IP核在FPGA中的部署；
其中，具体步骤为：系统初始化：
利用Verilog或VHDL分别生成不同FPGAIP核：国产非对称密码算法SM1j、国产对称密码算法SM2j、国产哈希密码算法SM3j、国产标识算法SM4j；SMij中，下标i分别代表不同的国产密码算法，下标j代表该类算法的第j个实现；
这些IP核在运行实现密码功能时，具有不同运行性能Vij、运行功耗Pij；
步骤1-3，由于运行速度不同，这些IP核实现时具有不同FPGA资源需求，表示为显示查找表Look-Up Tables、触发器Flip-Flops和块随机存储器Block RAM方面的资源量，表示为LUTij、FFij和BRij，且LUT、FF和BR表示为该FPGA平台的LUTs、FF、BRAM方面资源的总量；
以上IP核存储于FPGA系统的硬盘存储资源中；
系统初始化：
业务运行过程中，当存在多种加密任务Tk时，首先需要明确国密算法加速需求，统计为非对称加密算法对称加密算法/>哈希算法/>标识密码算法/>这类需求取值为：
以上任务构成加密需求矩阵N＝{N1，N2，N3，N4}，其中：
根据当前系统状态，确定当前系统的运行模式，分为四种类型：
系统初始运行即为M0普通运行模式，系统放置IP核空间最小的四类算法各1例，此时IP核为
系统高速运行模式：
当运行为M1时，要求整个FPGA的各算法性能处于最优状态，算法运行速度要求最大化，依据下述速率最优化模型对此时IP核进行建模：
Max：∑SMijVijCij
约束如下：
其中，
前三个约束条件要求，所选用的IP核所占用的LUTs、FF、BRAM方面资源，不能超过当前FPGA的总量；最后一个约束条件，要求所选用的IP核能够满足当前所有Tk的加密任务需求；
对上述整数线性规划进行求解，得到最优IP核部署方案，此时与当前状态Mi进行比较；若相符和，继续当前系统状态运行；若完全不相符，进行全局动态重构；否则，将不相同的IP核进行局部动态重构后，继续运行。
2.如权利要求1所示的一种基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法，其特征在于，系统节能运行模式：
当运行为M2节能运行模式时，要求整个FPGA的各算法运行功耗处于最小运行状态，算法运行功耗要求最小化，依据下述功率最优化模型对此时IP核进行可重构：
Min：∑SMijPijCij
约束如下：
其中，
前三个约束条件要求，所选用的IP核所占用的LUTs、FF、BRAM方面资源，不能超过当前FPGA的总量；最后一个约束条件，要求所选用的IP核能够满足当前所有Tk的加密任务需求；
对上述整数线性规划进行求解，得到最优IP核部署方案，
此时与当前状态Mi进行比较；若相符和，继续当前系统状态运行；若完全不相符，进行全局动态重构；否则，将不相同的IP进行局部动态重构。
3.如权利要求2所示的一种基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法，其特征在于，系统指定运行模式：
系统指定运行模式时，需要指定所需运行的加密算法，并对加密需求向量N进行赋值；
指定运行高速或节能模式，分别运用对应模型进行求解及部署工作。
4.如权利要求3所示的一种基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法，其特征在于，系统运行状态切换：
当系统处于普通状态或指定运行模式时，其IP核固定不变，无需根据当前任务状态进行转换；
当系统运行模式切换时，分别运行切换模式后状态的最优模型部署优化；
当处于高速或节能模式时，即Mi，i＝1或2，实时统计新来任务Tk的加密需求，周期性更新加密需求向量N；当对某加密算法有需求，而Ni＝0时，进行此状态下的最优模型部署优化；当间隔一定周期Time后，当前所提供的加密功能超出加密需求向量N时，进行加密需求向量N下的最优模型部署优化。
5.一种基于可重构计算的国密算法FPGA部署系统，其特征在于，包括数据采集模块、运行模式确定模块和部署模块；所述系统实现了如权利要求1-4任一项所述的基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法的步骤；
所述数据采集模块，被配置为：获取多种国密算法的IP核；
所述运行模式确定模块，被配置为：根据加密算法的占用资源、功耗和速度需求，确定FPGA的运行模式，其中，所示运行模式包括普通运行模式、高速运行模式、节能运行模式和制定运行模式；
所述部署模块，被配置为：根据不同的运行模式，完成国密算法的IP核在FPGA中的部署；
具体步骤为：系统初始化：
利用Verilog或VHDL分别生成不同FPGA IP核：国产非对称密码算法SM1j、国产对称密码算法SM2j、国产哈希密码算法SM3j、国产标识算法SM4j；SMij中，下标i分别代表不同的国产密码算法，下标j代表该类算法的第j个实现；
这些IP核在运行实现密码功能时，具有不同运行性能Vij、运行功耗Pij；
步骤1-3，由于运行速度不同，这些IP核实现时具有不同FPGA资源需求，表示为显示查找表Look-Up Tables、触发器Flip-Flops和块随机存储器Block RAM方面的资源量，表示为LUTij、FFij和BRij，且LUT、FF和BR表示为该FPGA平台的LUTs、FF、BRAM方面资源的总量；
以上IP核存储于FPGA系统的硬盘存储资源中；
系统初始化：
业务运行过程中，当存在多种加密任务Tk时，首先需要明确国密算法加速需求，统计为非对称加密算法对称加密算法/>哈希算法/>标识密码算法/>这类需求取值为：
以上任务构成加密需求矩阵N＝{N1，N2，N3，N4}，其中：
根据当前系统状态，确定当前系统的运行模式，分为四种类型：
系统初始运行即为M0普通运行模式，系统放置IP核空间最小的四类算法各1例，此时IP核为
系统高速运行模式：
当运行为M1时，要求整个FPGA的各算法性能处于最优状态，算法运行速度要求最大化，依据下述速率最优化模型对此时IP核进行建模：
Max：∑SMijVijCij
约束如下：
其中，
前三个约束条件要求，所选用的IP核所占用的LUTs、FF、BRAM方面资源，不能超过当前FPGA的总量；最后一个约束条件，要求所选用的IP核能够满足当前所有Tk的加密任务需求；
对上述整数线性规划进行求解，得到最优IP核部署方案，
此时与当前状态Mi进行比较；若相符和，继续当前系统状态运行；若完全不相符，进行全局动态重构；否则，将不相同的IP核进行局部动态重构后，继续运行。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，用于指纹图谱相似度计算，其特征在于，该程序被处理器执行时实现了如权利要求1-4任一项所述的基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法的步骤。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现了如权利要求1-4任一项所述的基于可重构计算的国密算法FPGA部署方法的步骤。
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