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基于FPGA的MD结构杂凑算法加速器的设计与实现

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基于FPGA的MD结构杂凑算法加速器的设计与实现

作者：陆思奇山东大学

学位级别：硕士

杂凑算法作为密码学三类基础算法之一,在现代密码学中起着重要作用,被广泛应用于数据完整性校验、身份认证等场景。由于杂凑算法软件实现速度慢,安全性差,因此对高吞吐和低延时的杂凑算法硬件实现的需求也越来越强烈。由于杂凑算法的多... 详细信息

杂凑算法作为密码学三类基础算法之一,在现代密码学中起着重要作用,被广泛应用于数据完整性校验、身份认证等场景。由于杂凑算法软件实现速度慢,安全性差,因此对高吞吐和低延时的杂凑算法硬件实现的需求也越来越强烈。由于杂凑算法的多样性,在不同场景下,人们对算法的需求也不同,因此本文实现了一种基于MD结构的通用算法加速器,以SM3和SHA256为例,在兼容两种算法的同时,优化了硬件资源利用率并提高了加速器性能。本文首先对两种杂凑算法进行了分析,将加速器分为硬件实现部分和软件实现部分,通过对比各种硬件实现方式的优劣,选用了 Xilinx公司推出的ZYNQUltraScale+MPSOC系列开发套件完成加速器实现,并提出了加速器硬件部分实现方案。其次,介绍了加速器硬件电路部分的设计与优化过程。为了实现通用加速器的设计,加速器根据算法结构被划分为多个模块:控制模块、扩展模块、压缩模块和存储模块。扩展模块设计时,首先对算法分析得到了算法的最大并行因子,用于设计并行电路,其次设计了一组高数据复用率的寄存器组以支持并行电路的高效工作。压缩模块设计时,逐个分析了每一条关键路径,优化算法路径以减少计算次数,对关键路径中由于加法计算的高延时点使用保留进位加法器和超前进位加法器进行替换,并将不同算法中的相同逻辑函数使用共享电路实现。存储模块根据扩展模块和压缩模块的需求,将位宽和深度与之匹配,在使用最少RAM资源的同时,减少数据读写的延时。在模块设计完成后,站在模块级的角度,设计了粗粒度的流水线,使扩展与压缩模块流水线工作,进一步提高加速器吞吐率。最后,将加速器部署在ZCU104开发板上,并通过实验对加速器的性能与资源占用等数据进行了对比与分析。实验结果表明,加速器能够在节省了一定资源的情况下完成对多种算法的兼容,并且提供较高的吞吐率,并随着消息组数的增加吞吐率也不断提高,在250MHz时钟频率下,吞吐率上限为1907.35Mbps,为杂凑算法加速器的设计提供了新的思路。

关键词：杂凑算法 ZYNQ 加速器 SM3 SHA256

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思维驱动的密码软件逆向工程教学设计

计算机教育 2023年第11期 135-139页

作者：袁庆军薛昊原陆思奇王永娟战略支援部队信息工程大学网络空间安全学院河南郑州450001 河南省网络密码技术重点实验室河南郑州450001

针对密码专业本科传统教学模式重视算法安全性而忽视实现安全性和运行安全性的问题,提出以“密码思维向工程思维转化”为导向的密码软件逆向工程教学模式,采用“正向+逆向”的对抗式综合实践和“实践+认知”的循环式能力提升方法,阐述... 详细信息

针对密码专业本科传统教学模式重视算法安全性而忽视实现安全性和运行安全性的问题,提出以“密码思维向工程思维转化”为导向的密码软件逆向工程教学模式,采用“正向+逆向”的对抗式综合实践和“实践+认知”的循环式能力提升方法,阐述教学内容、教学实施策略和考核方法方面的创新思路。

关键词：密码思维工程思维密码学密码软件逆向

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即时通信网络数据劫持分析研究

信息网络安全 2018年第11期 73-80页

作者：袁庆军陆思奇韦忠兴苟杰解放军信息工程大学中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室 31011部队

数据劫持是对即时通信网络中数据包进行截获分析的重要手段,严重威胁即时通讯网络安全。针对即时通信网络中安全理论和数据保护机制的研究,文章利用静态反汇编与动态调试结合的方法,解析通信数据的加解密操作,分析其通信数据保护机制。... 详细信息

数据劫持是对即时通信网络中数据包进行截获分析的重要手段,严重威胁即时通讯网络安全。针对即时通信网络中安全理论和数据保护机制的研究,文章利用静态反汇编与动态调试结合的方法,解析通信数据的加解密操作,分析其通信数据保护机制。分析结果表明,即时通讯网络的保护机制存在一定缺陷,易被内部用户劫持。内部用户可通过分析通信数据,猜测数据包构成、通信机制和加密机制,获取关键参数、恢复系统密钥,截取软件解密关键代码,编写通信数据解密程序,获取通信网络中其他用户传递的秘密信息。进而篡改通信信息,破坏即时通信网络的机密性、可用性和可控性。

关键词：即时通讯网络数据劫持内部敌手

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密码服务API通用可组合框架

密码学报 2017年第4期4卷 405-412页

作者：徐开勇袁庆军谭磊陆思奇解放军信息工程大学密码工程学院郑州450001 解放军外国语学院洛阳471003

密码服务API是各类信息系统获取密码服务的入口,为信息系统的密钥协商、信息加密和身份认证等提供密码算法的调用与处理,当前攻击者针对API设计缺陷或漏洞,绕过系统安全策略或者非正常调用密码处理过程,从而达到欺骗密码服务系统,获取... 详细信息

密码服务API是各类信息系统获取密码服务的入口,为信息系统的密钥协商、信息加密和身份认证等提供密码算法的调用与处理,当前攻击者针对API设计缺陷或漏洞,绕过系统安全策略或者非正常调用密码处理过程,从而达到欺骗密码服务系统,获取密码系统内部的密码资源或秘密信息.本文通过研究密码服务API功能函数组合应用的安全性证明问题,提出了密码服务API的通用可组合框架,旨在通过形式化分析方法对密码服务API的安全性进行验证.在通用可组合安全框架下,添加了支持密码服务API全局状态的记录、读取和操作,提出了密码服务API通用可组合安全框架.对理想模型下、现实模型下和混合模型下的密码服务API执行过程进行了形式化描述,通过基础定理的证明验证了在API通用可组合框架下,以API基础功能为基础,验证复杂API安全性是可行的.

关键词：密码服务API 通用可组合框架全局状态

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全同态加密函数库调试分析

密码学报 2017年第1期4卷 16-28页

作者：陆思奇王绍峰韩旭程庆丰洛阳外国语学院洛阳471003 密码科学技术国家重点实验室北京100878 西安电子科技大学计算机学院西安710071

本文选取了HElib库、FHE-CODE库和FHE-master基于三种不同算法的全同态加密程序,一方面,通过对程序本身的调试运行,不断更改噪声、运行时间、所占存储空间等运行参数,对程序性能进行动态比较分析.提高安全参数可以实现较高精度的加密,... 详细信息

本文选取了HElib库、FHE-CODE库和FHE-master基于三种不同算法的全同态加密程序,一方面,通过对程序本身的调试运行,不断更改噪声、运行时间、所占存储空间等运行参数,对程序性能进行动态比较分析.提高安全参数可以实现较高精度的加密,安全参数越高,则其对应的密文长度越长、所占存储空间越大,所以增加密文长度、重加密密文的长度等可以提高算法的安全级别.同时,减小模数、适当减小安全参数,可以减小噪声比并提高运行效率.另一方面,分析了三种软件对应的三种全同态算法:Gentry提出的理想格算法、DGHV算法和BGV算法,从安全性、有效性、实现程序以及相互联系对三种方案进行对比研究.其中,HElib库操作较为复杂,运行时间较长,但安全性较高,FHE-CODE代码的逻辑相对比较清晰,运行效率较高,FHE-master库利用文件读取操作实现了对于密文的检索功能,针对不同密钥读写操作效率参差不齐.本文一方面验证算法在理论研究的相关性质,另一方面从程序实现方面分析算法的相关属性,为全同态加密研究提供实践基础.

关键词：全同态加密算法代码库调试比较研究

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形式化分析工具Scyther性能研究

形式化分析工具Scyther性能研究

第十九届全国青年通信学术年会

作者：陆思奇杨忠霖程庆丰洛阳外国语学院语言工程系中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室

形式化分析方法已经成为安全协议分析的主流方法之一。安全协议形式化分析工具的性能优劣直接影响工具的分析结果和效率。Scyther软件是一种功能较强的协议形式化分析工具,它的出现极大地促进了协议分析的分析和设计。本文通过Scyther与... 详细信息

形式化分析方法已经成为安全协议分析的主流方法之一。安全协议形式化分析工具的性能优劣直接影响工具的分析结果和效率。Scyther软件是一种功能较强的协议形式化分析工具,它的出现极大地促进了协议分析的分析和设计。本文通过Scyther与Avispa工具全面的比较研究,突出了Scyther工具的在运行界面、安全模型以及攻击搜索等方面的综合优势。利用Scyther对SAKA和AKA协议进行分析,发现Scyther对部分KCI攻击搜索出现漏报现象,并深入分析缺点存在的原因,并提出了改进的思路。为今后工具的使用和优化打下了理论和实践基础。

关键词：形式化分析协议分析 Scyther SAKA和AKA协议 AKC攻击

来源： cnki会议评论

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安全协议形式化分析工具比较研究

密码学报 2014年第6期1卷 568-577页

作者：陆思奇程庆丰赵进华洛阳外国语学院洛阳471003 中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室北京100093 信息保障技术重点实验室北京100072

形式化分析方法已经成为协议分析的主流方法之一.目前,国内针对形式化分析工具的研究很少,工具之间的比较研究也不够充分.一方面,当前比较研究存在参比工具较少以及参比性能不全面的问题,另一方面,大部分比较研究仅停留在理论比较,并没... 详细信息

形式化分析方法已经成为协议分析的主流方法之一.目前,国内针对形式化分析工具的研究很少,工具之间的比较研究也不够充分.一方面,当前比较研究存在参比工具较少以及参比性能不全面的问题,另一方面,大部分比较研究仅停留在理论比较,并没有提供实验数据.因此,本文首先对AVISPA、Pro Verif、Maude-NPA、Scyther、Tamarin等当前主流形式化分析工具的背景、工具性能、应用范围等方面进行介绍,然后以SSH协议为目标协议,利用不同的形式化工具对SSH协议进行分析.根据实验分析结果,对比研究工具在运行性能、运行效率、底层算法、使用界面、安全模型等方面的优势和劣势.在对比研究结果的基础上,从形式化分析工具的使用和开发两方面进行讨论:在工具使用方面,通过工具比较研究,用户可以根据目标协议特性挑选合适的工具,对协议实现准确高效的分析;在工具开发方面,通过工具比较研究,指出代数性质扩展以及状态空间的限制和搜索算法是当前工具性能提升的重点和难点,突出了工具开发者需要掌握的用户需求,为工具开发提供理论基础.

关键词：形式化分析工具比较研究 SSH协议安全模型