一种基于图形处理器的高吞吐量SM2数字签名计算方案

作     者：朱辉 黄煜坤 王枫为 杨晓鹏 李晖 ZHU Hui;HUANG Yukun;WANG Fengwei;YANG Xiaopeng;LI Hui

作者机构：西安电子科技大学网络与信息安全学院西安710126 

出 版 物：《电子与信息学报》 (Journal of Electronics & Information Technology)

年 卷 期：2022年第44卷第12期

页      面：4274-4283页

核心收录：

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 110505[军事学-密码学] 110503[军事学-军事通信学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金(61972304,61932015) 陕西省重点产业创新链项目(2019ZDLGY12-02) 公安部技术研究计划(2019JSYJA01) 

主　　题：数字签名 SM2 高吞吐量 图形处理器 

摘      要：随着数据传输安全的普及和认证信息细粒化程度的提高,基于公钥密码学的签名运算使用越来越频繁,其处理速度逐渐成为制约各种高并发安全应用的瓶颈问题。为此,该文提出一种基于图形处理器(GPU)的高吞吐量SM2数字签名计算方案。首先,通过GPU底层指令优化基础运算的计算过程,构建高效的基础运算模块;进而,结合GPU的平台特性,优化基于费马小定理的模逆算法,缩短SM2推荐素数的加法链,大幅提升模逆处理速度;同时,按需使用倍点运算和重复倍点算法,避免线程束分化现象,并有效减少未知点乘运算的计算量。理论分析和实验测试结果表明该方案可有效地提升SM2签名和验签算法的处理速度,在RTX3090单卡上实现了7.609×10^(7)次/s的签名吞吐量和3.46×10^(6)次/s的验签吞吐量。