高速可配置RSA密码协处理器的ASIC设计

公钥密码系统，也称为非对称密码系统，是密码学的一种形式。它有一对密钥：公钥和私钥。它们在数学上有一定的关系，但是很难从公钥得到私钥。公钥密码学的两个主要分支：

公钥加密：任何人都可以将消息（明文）加密成密文，但只有接收者才能生成有意义的密文。这样确保了数据的安全性，用于可靠性方面。

数字签名：发送者通过私钥加密的消息(明文)，可以被任何人通过公钥解密。因此证明了这条消息是发送者签名并且没被人修改过。这种方法用于数字签名与认证方面。

公钥制密码学中，目前应用最为广泛的是RSA公钥制密码算法[1]。RSA算法通过模幂运算实现，模幂运算是整个RSA算法的核心。在操作数较小的情况下，模幂运算比较简单，可以直接计算。但是为了保证必要的安全等级，一般采用512 bit或1 024 bit的密钥长度，在银行等需要更高安全等级的系统中，会采用更长位宽的密钥，模幂的难度随之成指数级增长。RSA算法安全性的保证和需要就像一把双刃剑，在给攻击者带来计算难度的同时也提高了运算的复杂度。

本文提出一种基于ASIC设计的高速、可配置的RSA密码协处理器体系结构，可实现256 bit到2 048 bit的RSA加密运算。该方案综合考虑RSA模幂和模乘算法的特点和瓶颈，采用改进的高基模乘算法和流水线结构，提高运算速度；采用DMA直接访问方式，消除协处理器与内存之间的通信速度瓶颈；数据输入输出都使用双口存储体，形成加解密数据流。

1 公钥密码算法RSA

1.1 RSA算法

RSA加密算法是目前在理论和实际应用中较为成功的公钥密码体制，它的安全性是基于数论中大整数分解为素数因子的困难性，这一困难在目前仍是一个NP问题。要建立一个RSA密码系统，首先任选两个大素数p、q，使：

N=p×q

并得到Euler函数:

Ψ(n)=(p-1)×(q-1)

然后任选一个与Ψ(n)互素的整数e作为密钥，再根据e求出解密密钥d，d满足：

d×e=1modΨ(n)

事实上，加密密钥e和解密密钥d是完全可互换的，因此在求e或d时，不论先假设哪一个，再由它去求另一个都是一样的。对某个明文分组M和密文分组C，加密和解密的过程如下：

加密过程：

C=MemodN

而解密过程是：

M=CdmodN

RSA加解密就是做模幂运算的过程，而模幂运算是通过一系列的模乘运算得到的。模幂算法根据幂指数扫描顺序不同可以分为两种：从左往右的L-R算法和从右往左的R-L算法。

算法一：R-L模幂算法

式中n为指数e的位数，P为中间变量

输入：M，e，N；

输出：C=Me modN；

(1)P=M；C=1；

(2)for i=0 to n-2；

(3)if e[i]=1 then C=C×P mod N；

(4)P=P×P mod N；

(5)next i；

(6)if e[n-1]=1 then C=C×P mod N；

(7)return C；

算法二：L-R模幂算法

输入：M，e，N；

输出：C=Me modN；

(1)if e[n-1]=1 then C=M，else C=1；

(2)for i=n-2 to 1；

(3)C=C×C mod N；

(4)if e[i]=1 then C=C×M mod N；

(5)next i；

(6)return C；

从以上两种算法可以看出，一次模幂运算需要进行N次平方模运算和平均N/2次乘法模运算；但在从右往左的扫描中，乘法和平方是相互独立的，可以并行。因此可以增加一个N位的乘法器，一个做乘法，一个做平方，这可以显著提高一次模幂运算的速度。本文面向高速应用场合，因此采用R-L模幂算法。

在RSA算法中，不论是加密过程还是解密过程，都有一个共同的模乘运算(ABmod N)，这个看似简单的运算，需要做一次乘法和一次除法，最后取余数。但由于M，e，C，d，N等参数的长度通常是1 024个二进制位或更高，使得模幂运算量巨大，很难在一般的协处理器上或处理器上运行，直到1985年由Montgomery提出了一种免除法的模乘算法[2]，才使RSA算法在硬件和软件中得以实现。

1.2 Montgomery模乘算法

Montgomery算法的基本思想是把一个大整数转换为一个模R(R通常取2r)的余数表示形式，用转换后的余数进行一系列模乘运算，最后再转换为正常的表达形式。将计算A*B mod N时的mod N的除法运算转化为简单的移位运算，能够有效地提高模乘运算的速度。

算法三：Montgomery算法

设N为模数，R是2的整数幂，且R>N，并令R-1和N′满足0-1-1-NN′=1成立。

输入：A，B，R，N；

输出：c=M(A，B)=A*B*R-1 modN

(1)T=A*B；

(2)m=(Tmod R)*N′ mod R；

(3)c=(T+mN)/R；

(4)if c>=N return c-N；

(5)else return m；

该算法不能直接实现RSA算法，需要进行相应的预处理才能消除R-1带来的影响（见算法五）。该算法仍然包含大整数的乘法，因此需要对其进行改进，使用高基模乘算法（见算法四），细化为小整数的乘法，以便于硬件实现。另外，该算法最后需要判断m是否大于N，如果大于N，必须再做减法，这在硬件设计上会增加额外的芯片面积。本文通过在模乘循环过程中增加一次循环，就可以免去最后的减法（见算法五）。

1.3 高基Montgomery算法

把n位大整数A，B，N分别表示成s位r进制整数，即A=(as-1 as-2…a0)，B=(bs-1bs-2…b0)r，N=(ns-1ns-2…n0)r，且R=rs，s=n/r，则有N P>

算法四：高基Montgomery算法

Function M(A，B)

S：=0；m=0；

(1)计算中间结果m[i]：

for i=0 to s-1

{for j=0 to i

{s：=s+a[j]*b[i-j]+m[j]*n[i-j]；}

m[i]：=s*n′[i] mod r；

s：=s+m[i]n[i]

s：=s/r；}

(2)计算最终结果并存于m[i]中：

for i=s to 2s-1

{for j=i-s+1 to s-1

{s=s+a[j]b[I-j]+m[j]n[I-j]}

m[i-s]：=s mod r

s：=s/r}

算法五：从右往左扫描的免减高基模乘算法

(1)预处理：

R2=R*R mod N；(事先计算出来，可消除R-1带来的影响)

P=M（M，R2）；

C=1；

(2)中处理：

for i=0 to n-2

if e[i]=1 then C=M(C，P)；

P=M(P，P)；

next i；

if e[n-1]=1 then C=M(C，P)；

return C；（计算C=M(Me))

(3)后处理：

C=M（C，1）；（免去了montgomery算法每次的减法运算）。

2 协处理器体系结构

2.1 SPU整体结构与模块划分

SPU与CPU通过CROSSBAR[3]交叉通信开关进行通信，而SPU与MEM之间则采取DMA方式直接通信，这样可以消除数据存取的速度瓶颈。同时，当SPU进行加解密工作时，CPU可以并行执行其他指令(只要不发生数据相关)。

SPU划分为控制模块，数据通道和存储单元。其中控制单元主要用于密钥移位控制，控制密钥的降幂，并根据密钥产生乘或平方控制信号。另外，控制单元还包括一个状态控制器，用于对前处理、中处理和后处理各个运算环节的控制。

数据通道部分则由Montgomery模乘单元和平方单元构成，两个单元并行，根据控制单元产生的控制信号来进行相应的操作，产生部分积和中间结果。

存储单元大小为8 Kbit，分为两部分。一部分是4 KB的RAM，用于加解密过程中暂存数据，以便形成流水线；另一部分是4 KB的ROM，用于存放公钥和密钥，掉电可以保存数据。

系统框图如图1所示。

2.2 流水线设计

为了实现高速、可配置的RSA密码协处理器，采用了按字读入的高基模乘算法，同时对模幂单元采用流水线结构：这样一方面可以增加数据吞吐率，加快数据运算速度；另一方面可以通过增减流水线的级数来增强可配置性。

从按字读入的高基模乘算法（算法五）中可以看出，每次密钥长度为N bit的RSA加解密过程是一次幂指数为N的模幂运算，而一次这样的模幂运算则是N次模乘运算。因此通过设计模幂流水线结构，可以大大增加RSA加解密的速度。

流水线结构的模幂运算如图2所示。明文M经过T级流水线数据通路，最后输出密文C；对于一个N位的RSA加密系统来说，如果采用T级流水线，则每一级流水线需要循环做N/T次MM运算。RSA的运算速度取决于一级流水线的速度。

2.3 DMA通道的工作过程

SPU向DMA控制器发出DMA请求，DMA控制器在接到SPU发出的DMA请求后，向CPU发出总线请求，请求CPU脱离对总线的控制，而由DMA控制器接管对系统总线的控制；CPU在执行完当前指令的当前总线周期后，向DMA控制器发出总线响应信号，CPU脱离对系统总线的控制，处于等待状态(但一直监视DMAC)；DMA控制器接管对系统总线的控制；DMA控制器向SPU发出DMA应答信号，DMA控制器把存储器与SPU之间进行数据传送所需要的有关地址送到总线，通过控制总线向存储器和SPU发出读或写信号，从而完成一个字节的传送；当设定的字节数据传送完毕后(DMA控制器自动计数)，DMA控制器将总线请求信号变成无效，同时脱离对总线的控制；CPU检测到总线请求信号变成无效后(CPU一直监视着)，也将总线响应信号变成无效，CPU恢复对系统总线的控制，继续执行被DMA控制器中断的当前指令的当前总线周期。

2.4 存储体结构设计

SPU内部共设计两部分RAM，都使用双口存储体，主要用作数据输入、输出缓存。双口RAM分A和B两部分，每部分的深度32，宽度64，即32×64的存储空间；一块RAM可以存储2 KB的数据，输入输出各需要一块作为缓存，也就是说片内共设计4 KB的RAM。双口RAM的两部分是对称的，但是对每部分的读写都是独立的，当需要加密或解密时，数据先输入到A部分，当A部分输入满2 KB数据时，数据继续输入到B中，此时运算模块读取A中的数据计算，当B部分数据输入满时，运算模块已经计算完A中的数据，然后读取B中的数据，输出则是相反的过程，如此形成加解密数据流，运算流程如图3所示。

本文基于改进的按字输入的从右往左扫描的高基Montgomery模乘算法，提出了一种高速、可配置的RSA加解密协处理器的ASIC设计方案。该方案很好地解决了模幂和模乘运算的瓶颈问题，提高了算法并行性和运算效率。基于该方案可以方便地设计出各种速度和密钥长度的RSA密码协处理器，尤其对高速RSA市场具有很广阔的应用前景。