CN115412241A - 实现后量子密码算法Kyber和Saber的融合密码安全处理器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现后量子密码算法Kyber和Saber的融合密码安全处理器。该融合密码安全处理器包括主控逻辑模块、多模系数生成器、哈希模块、可重构的运算模块、密钥封装模块、接口模块和存储模块。本发明所公布的后量子密码算法Kyber和Saber融合密码安全处理器，可以从系数生成，哈希散列函数，核心模乘等方面对Kyber算法和Saber算法进行融合优化。设计了支持上诉功能的多模系数生成器，哈希模块和可重构的运算模块，在最大程度上对密码安全处理器的资源进行复用，达到Kyber算法和Saber算法低资源，高效率实现的目的。

Description

实现后量子密码算法Kyber和Saber的融合密码安全处理器
技术领域
本发明属于后量子信息安全算法、数字信号处理及电路实现领域，特别涉及一种实现后量子密码算法Kyber和Saber的融合密码安全处理器。
背景技术
随着量子计算技术的高速发展，传统的公钥密码体制将面临量子计算机攻击的安全威胁，将现有加密技术过渡到具有量子安全的后量子密码(Post-QuantumCryptography,PQC)技术正成为国际密码学理论与技术领域的研究热点。基于格问题的密码方案由于其拥有完备的安全性证明，高效且易于实现，灵活性强，用途广泛等特点，有望成为未来应对量子计算机的密码安全算法。
Kyber算法和Saber算法是分别基于M-LWE和M-LWR格困难问题的密码算法，相比于其他基于格问题的后量子密码算法，具有公钥以及私钥长度短、易于实现等优势，是最具有优势的两种的格密码方案。作为LWE问题的变种和多项式环域基于模块划分的后量子密码算法，Kyber算法和Saber算法在整体算法流程以及哈希散列函数，伪随机数序列采样，加解密验证上具有一致性，实现Kyber算法和Saber算法的融合，有利于资源的复用以及应对不用安全要素需求的应用场景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，为了能使后量子密码算法Kyber和Saber能够同时在硬件上高效地实现，本发明提供了一种Kyber算法和Saber算法融合密码安全处理器，其特征在于，包括：
主控逻辑模块，用于传递所述融合密码安全处理器内部指令信号与控制接收外界数据；
可重构的运算模块，用于根据所述主控逻辑模块信号切换具有不同模数的乘法器；
哈希模块，用于根据所述主控逻辑模块信号执行对应的函数；
多模系数生成器，用于根据所述主控逻辑模块信号生成对应的系数；
密钥封装模块，用于控制系统执行Saber算法和/或Kyber算法；
接口模块，用于提供输入输出接口；
存储模块，用于数据缓存。
优选的，所述多模系数生成器包括：
中心二项分布采样器，用于计算满足均匀分布采样序列的汉明距，生成密钥多项式以及误差多项式系数；
拒绝采样器，用于生成Kyber算法的公钥多项式系数。
优选的，所述哈希模块包括：
函数SHA3-256，用于公钥以及密文的哈希散列函数；
函数SHA3-512，用于信息的哈希散列函数；
函数SHAKE-128与函数SHAKE-256，用于伪随机数序列的扩展。
优选的所述可重构的运算模块包括：
模数为213的托普利兹乘法器，用于加速Saber算法中的多项式乘法；
模数为3329的NTT乘法器，用于加速Kyber算法中的多项式乘法。
优选的，所述密钥封装模块包括：
密钥缓存处，用于直接储存256bit的密钥；
密钥封装机制，用于生成密码算法中对应密钥的算法。
优选的，所述接口模块采用标准的串行外设接口。
优选的，所述的融合密码安全处理器采用长度为32bit的指令。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
(1)主控逻辑模块的模式控制信号使多模系数生成器生成对应的系数、哈希模块执行对应的函数，实现后量子密码算法Kyber和Saber融合使用。
(2)可重构的运算模块促进了多模系数生成器、哈希模块中后量子密码算法Kyber和Saber的运算速度，实现了Kyber算法和Saber算法高效率的运转。
(3)在主控逻辑模块调控下，多模系数生成器、哈希模块、可重构的运算模块、密钥封装模块、接口模块和存储模块协调运行中实现Kyber算法和Saber算法在整体算法流程以及哈希散列函数，伪随机数序列采样，加解密验证上融合运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种实现后量子密码算法Kyber和Saber的融合密码安全处理器架构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例公开的一种实现后量子密码算法Kyber和Saber的融合密码安全处理器架构，所述融合密码安全处理器包括主控逻辑模块10、可重构的运算模块20、多模系数生成器30、哈希模块40、存储模块50、密钥封装模块60和接口模块70。
所述的接口模块70为串行外设接口(SPI)，所述融合密码安全处理器通过SPI来与外界进行数据交换。所述接口模块70在融合密码安全处理器上安装为SPI主机(SPIMaster)。
所述的主控逻辑模块10，用于传递所述融合密码安全处理器内部指令信号与控制接收外界数据。所述主控逻辑模块包括模式控制部101、总线管理部102与取指&译码部103。所述取指&译码部103与所述接口模块进行联系，外界传来的数据通过所述接口模块70后在所述主控逻辑模块中取指&译码部分得到确认，再由所述主控逻辑模块中模式控制部101传出模式控制信号到所述可重构运算模块20、所述哈希模块30、所述多模系数生成器40。
所述的可重构运算模块20，根据所述主控逻辑模块10中模式控制部101信号切换具有不同模数的乘法器。所述可重构运算模块包括模数为213的托普利兹乘法器，模数为3329的NTT乘法器。所述托普利兹乘法器用于加速Saber算法中的多项式乘法，所述NTT乘法器用于加速Kyber算法中的多项式乘法。由于Kyber算法和Saber算法中的模数不同，需要使用基于不同乘法算法的加速算法，所述可重构运算模块20接收到所述主控逻辑模块10发出的模式控制部101信号，便会根据所示信号选择托普利兹乘法器或NTT乘法器对所述储存模块中的Saber算法或Kyber算法数据进行加速运算。所述可重构运算模块20还包括数据位宽转换201，所述多模系数生成器40生成数据将会通过所述数据位宽转换201被所述NTT乘法器、托普利兹乘法器加速运算，所述NTT乘法器、托普利兹乘法器处理完的数据将会传输到所述数据位宽转换201中传输到储存模块50中。
所述的哈希模块40，用于根据所述主控逻辑模块10中模式控制部101信号执行对应的函数。所述哈希模块包括函数SHA3-256部402，函数SHA3-512部403，函数SHAKE-128部404，函数SHAKE-256部405与Keccak核401(Keccak f[1600]core)。所述函数SHA3-256部402，用于公钥以及密文的哈希散列函数；所述函数SHA3-512部403，用于信息的哈希散列函数；所述函数SHAKE-128部404与函数SHAKE-256部405，用于伪随机数序列的扩展。所述哈希模块在接收到所述主控逻辑模块发出的模式控制信号，便会基于Keccak核401的复用，通过所述模式控制部101信号执行对应函数；其中Kyber和Saber算法中函数SHA3-256部402，函数SHA3-512部403，函数SHAKE-128部404，函数SHAKE-256部405的填充方法一致。所述哈希模块生成数据将会传输到输入寄存器80(FIFO)，所述输入寄存器80为专门储存哈希模块40产生的数据。所述输入寄存器80会将接收到的数据传输到所述多模系数生成器30。
所述的多模系数生成器30，用于根据所述主控逻辑模块10中模式控制部101信号生成对应的系数。所述多模系数生成器30包括中心二项分布采样器301，拒绝采样器302。所述中心二项分布采样器301，用于计算满足均匀分布采样序列的汉明距，生成密钥多项式系数以及误差多项式系数；所述拒绝采样器302，用于生成Kyber算法的公钥多项式系数。所述多模系数生成器合并以上两种采样方式，复用采样电路，可被配置为支持多模的采样器，再接收到所述模式控制部101信号后，会根据模式控制部101信号生成所需的多项式系数。所述多项式系数会传输到所述储存模块50中被所述可重构运算模块20加速运算后传输到所述密钥封装模块60中。
所述的储存模块50，用于对输入和输出数据进行缓存。所述的储存模块50包括储存器502(DPSRAM)与内存仲裁501。所述储存器502用于储存输入与输出的所有数据；所述内存仲裁501用于提供数据处理平台，所述多模系数生成器30生成的数据将会进入所述内存仲裁501，所述可重构运算模块20将通过所述数据位宽转换201对进入所述内存仲裁501的数据进行加速运算。所述被加速运算后的数据将在所述所述储存器502之中被缓存，并进入所述密钥封装模块60。
所述的密钥封装模块60，用于控制系统执行Saber算法和/或Kyber算法。所述密钥封装模块包括密钥缓存处601(Key Buffer)，密钥封装机制602(Saber KEM、Kyber KEM)。所述密钥缓存处601，用于直接储存256bit的密钥；所述密钥封装机制602，用于生成密码算法中对应密钥的算法。所述储存模块传输过来的数据将会将会在所述密钥缓存处601由所述密钥封装机制602根据数据需求生成Kyber密码算法或Saber密码算法中对应密钥，并在所述Key Buffer中储存256bit的密钥。最后将完整的加密数据由所述接口模块的SPI Master传出。
所述的融合密码安全处理器采用长度为32bit的指令。为了适配主流处理器，所述融合密码安全处理器设计了长度为32bit的指令。相比于固定流程的主控状态机，这种设计方式使得系统具有更高的灵活性。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种实现后量子密码算法Kyber和Saber的融合密码安全处理器，其特征在于，包括：
主控逻辑模块，用于传递所述融合密码安全处理器内部指令信号与控制接收外界数据；
可重构的运算模块，用于据所述主控逻辑模块信号切换具有不同模数的乘法器；
哈希模块，用于根据所述主控逻辑模块信号执行对应的函数；
多模系数生成器，用于根据所述主控逻辑模块信号生成对应的系数；
密钥封装模块，用于控制系统执行Saber算法和/或Kyber算法；
接口模块，用于提供输入输出接口；
存储模块，用于数据缓存。
2.根据权利要求1所述的融合密码安全处理器，其特征在于，所述多模系数生成器包括：
中心二项分布采样器，用于计算满足均匀分布采样序列的汉明距，生成密钥多项式以及误差多项式系数；
拒绝采样器，用于生成Kyber算法的公钥多项式系数。
3.根据权利要求1所述的融合密码安全处理器，其特征在于，所述哈希模块包括：
函数SHA3-256，用于公钥以及密文的哈希散列函数；
函数SHA3-512，用于信息的哈希散列函数；
函数SHAKE-128与函数SHAKE-256，用于伪随机数序列的扩展。
4.根据权利要求1所述的融合密码安全处理器，其特征在于，所述可重构的运算模块包括：
模数为213的托普利兹乘法器，用于加速Saber算法中的多项式乘法；
模数为3329的NTT乘法器，用于加速Kyber算法中的多项式乘法。
5.根据权利要求1所述的融合密码安全处理器，其特征在于，所述密钥封装模块包括：
密钥缓存处，用于直接储存256bit的密钥；
密钥封装机制，用于生成密码算法中对应密钥的算法。
6.根据权利要求1所述的融合密码安全处理器，其特征在于，所述接口模块采用标准的串行外设接口。
7.根据权利要求1所述的融合密码安全处理器，其特征在于，所述的融合密码安全处理器采用长度为32bit的指令。
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