比特置换网络及其在密码处理器中的应用研究

论文摘要

比特置换是分组密码处理的基本操作,在密码算法中得到了广泛的应用。然而比特置换作为典型的位级操作,在处理器中实现困难、效率很低。比特置换是通用处理器实现分组密码算法的重要瓶颈之一,极大地制约了通用处理器实现分组密码处理的性能。论文分析研究了分组密码处理中的比特置换操作特点、实现技术,深入研究了RISC处理器体系结构,结合RISC架构处理器处理分组密码算法的特点,借鉴通信交换网络及其路由算法方面的研究方法和成果,设计实现了基于LPS网络的基本比特置换指令,并且研究了指令的扩展性,在N×N系统上实现2N×2N的比特置换。硬件电路实现了两级2×2开关,能以不多于log2N条的指令完成任意N×N的比特置换操作。出于对更高效率的追求,论文构造了一种三个源操作数一个目的操作数的比特置换指令,硬件实现了四级2×2开关,能以（?）log2N/2（?）条指令完成任意的N×N置换。论文通过分析VLIW结构处理器的特点,研究了VLIW结构密码处理器的总体结构。基于Batcher网络和Benes网络,为VLIW结构分组密码协处理器构造了一种专用比特置换指令,能够实现128位的任意比特置换,支持分裂模式的置换操作,能够实现基于立即数的字节置换、字置换操作。完成同种功能,资源占用仅是用N个N选1方法的10.2%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究动机及意义
• 1.1.1 研究动机
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 课题的研究内容及创新点
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 本文的创新点
• 1.3 论文结构安排
• 第2章 置换操作及实现研究
• 2.1 分组密码处理中的置换操作
• 2.1.1 分组密码算法
• 2.1.2 分组密码算法中的置换操作研究
• 2.2 通用处理器置换操作实现研究
• 2.3 国内外研究现状
• 2.4 本章小结
• 第3章 RISC处理器扩展比特置换指令研究
• 3.1 RISC结构处理器研究
• 3.2 LPS网络
• 3.2.1 LPS网络
• 3.2.2 LPS网络路由算法
• 3.3 基本比特置换指令
• 3.3.1 指令设计
• 3.3.2 硬件实现和性能分析
• 3.3.3 可扩展性研究
• 3.4 特殊比特置换指令
• 3.4.1 指令设计
• 3.4.2 硬件实现和性能分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 VLIW结构密码处理器专用比特置换指令设计
• 4.1 VLIW结构处理器
• 4.1.1 VLIW结构处理器
• 4.1.2 VLIW结构分组密码协处理器
• 4.2 比特置换网络
• 4.2.1 基于Batcher网络的比特置换网络
• 4.2.2 基于Benes网络的比特置换网络
• 4.3 指令设计
• 4.3.1 128×128置换指令
• 4.3.2 64×64置换指令
• 4.3.3 32×32置换指令
• 4.3.4 置换配置指令
• 4.3.5 前后异或指令
• 4.4 硬件电路设计
• 4.4.1 总体电路描述
• 4.4.2 比特置换网络电路结构
• 4.4.3 静态配置寄存器堆电路
• 4.4.4 配置数据选择模块
• 4.4.5 前后异或模块
• 4.4.6 实现结果
• 4.5 短字置换
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢