工业控制系统中可信计算的国密SM2算法研究

作     者：贾斌斌 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王忠庆;方炜;李亚宁

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 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）] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：基2-蒙哥马利模乘运算 并行前缀加法器 点乘运算 SM3运算 

摘      要：伴随国家网络信息技术的迅速发展,信息数据的安全性越来越受到重视,尤其是工业控制系统中的各种信息数据。由于传统的工业控制系统在设计时往往侧重于提升时效性,而对信息的安全性考虑不足,容易留下较多的信息安全隐患。可信计算出现后,通过可信密码模块中的国家密码算法一定程度上保证了平台身份的可信性和传输过程中数据的安全性,有效降低了工业控制系统中可能面临的信息安全问题。但是由于工业控制系统自身存在着算力有限、架构复杂的问题和系统上强调实时性、信息上要求保密性的特点,所以从提升运算效率和提高安全性的角度分析,对密码算法优化改进仍然有必要性。本文在分析国内外相关研究的基础上,针对工业控制系统自身存在的问题和特点,研究采用硬件方式,优化改进可信计算中国密SM2加解密算法,进一步提高工业控制系统信息数据的安全性。本文主要内容如下:1、介绍可信计算中密码算法在工业控制系统中的联系和应用,梳理研究相关密码算法理论知识。其中,重点研究SM2加解密算法和SM3算法。从硬件角度将SM2加解密算法进行从低到高的模块化划分,并结合工业控制系统特点,针对性的对关键模块做速度优化和资源优化。2、在SM2加解密算法的有限域模乘模块中,为减少在模乘运算中调用加法运算时的延迟,本文设计一种基2-蒙哥马利运算+并行前缀加法器的混合模乘方法实现模乘运算,经仿真结果表明:一次模乘运算时间为0.26us,提高了模乘运算速率;在椭圆曲线层模块中,选用雅各比坐标系来实现椭圆曲线层的点加倍点模块,点乘运算采用改进后的二进制方法来实现,经仿真结果验证:一次点乘运算时间为3.6us,占用22623查找表。3、在SM3算法中,本文设计一种进位保存加法器+进位传播加法器结构来实现密码杂凑函数运算中迭代压缩一系列操作,经仿真结果验证:一次SM3密码杂凑运算时间为0.755us,吞吐率为902Mbps。本文设计采用verilog语言编写SM2加解密算法,在Vivado软件上进行编译并在ZYNQ-7020上进行验证。研究结果表明:本文设计的方法能正确完成SM2算法的加密和解密工作,SM2算法加密性能平均为857次/秒,SM2算法解密性能平均为420次/秒。