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应用于后量子密码的高速高效SHA-3硬件单元设计

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信息安全学报 2021年第6期6卷 32-39页

作者：刘冬生陈勇熊思琦杨朔胡昂华中科技大学光学与电子信息学院中国武汉430074

随着量子计算技术的高速发展,传统的公钥密码体制正在遭受破译的威胁,将现有加密技术过渡到具有量子安全的后量子密码方案上是现阶段密码学界的研究热点。在现有的后量子密码(Post-Quantum Cryptography,PQC)方案中,基于格问题的密码方... 详细信息

随着量子计算技术的高速发展,传统的公钥密码体制正在遭受破译的威胁,将现有加密技术过渡到具有量子安全的后量子密码方案上是现阶段密码学界的研究热点。在现有的后量子密码(Post-Quantum Cryptography,PQC)方案中,基于格问题的密码方案由于其安全性,易实施性和使用灵活的众多优点,成为了最具潜力的PQC方案。SHA-3作为格密码方案中用于生成伪随机序列以及对关键信息散列的核心算子之一,其实现性能对整体后量子密码方案性能具有重要影响。考虑到今后PQC在多种设备场景下部署的巨大需求,SHA-3的硬件实现面临着高性能与有限资源开销相互制约的瓶颈挑战。对此,本文提出了一种高效高速的SHA-3硬件结构,这种结构可以应用于所有的SHA-3家族函数中。首先,本设计将64 bit轮常数简化为7 bit,既减少了轮常数所需的存储空间,也降低了运算复杂度。其次,提出了一种新型的流水线结构,这种新型结构相比于通常的流水线结构对关键路径分割得更加均匀。最后,将新型流水线结构与展开的优化方法结合,使系统的吞吐量大幅提高。本设计基于Xilinx Virtex-6现场可编程逻辑阵列(FPGA)完成了原型实现,结果显示,所设计的SHA-3硬件单元最高工作频率可达459 MHz,效率达到14.71 Mbps/Slice。相比于现有的相关设计,最大工作频率提高了10.9%,效率提升了28.2%。

关键词：后量子密码哈希算法硬件实现 SHA-3

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低照度双目立体显著目标距离测定方法与实现

红外与激光工程 2015年第3期44卷 1053-1060页

作者：万一龙柏连发韩静张毅南京理工大学电光学院江苏省光谱成像与智能感知重点实验室江苏南京210094

针对位置已固定的双目立体装置,提出了一种基于非平行模式测距原理的双目系统光轴-光心参数标定方法,减小了光轴-光心位置误测量带来的测距误差;为解决低照度下双目立体视觉中存在的立体匹配误匹配点多、目标识别度低的问题,采取了最大... 详细信息

针对位置已固定的双目立体装置,提出了一种基于非平行模式测距原理的双目系统光轴-光心参数标定方法,减小了光轴-光心位置误测量带来的测距误差;为解决低照度下双目立体视觉中存在的立体匹配误匹配点多、目标识别度低的问题,采取了最大熵法结合整体光强变化的阈值选取方法提取显著目标,提高了目标识别率,搭建了显著目标测距系统。结果表明:采用文中的系统标定与阈值选取方法的双目立体视觉装置在低照度下具有较高的测距精度及目标识别率。

关键词：双目测距相机标定目标识别硬件实现

基于FPGA的Leighton-Micali签名方案密钥生成的高速可配置实现

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信息安全学报 2021年第6期6卷 17-31页

作者：胡潇宋逸峰汪文浩田静南京大学电子科学与技术工程学院中国南京210023

由于量子计算机的飞速发展,现代密码学面临着巨大的挑战。为了实现抗量子计算机攻击的加密,人们提出了许多新的加密方案,并对后量子密码学(Post-Quantum Cryptography,PQC)开展了标准化进程。Leighton-Micali签名(Leighton-Micali sig-n... 详细信息

由于量子计算机的飞速发展,现代密码学面临着巨大的挑战。为了实现抗量子计算机攻击的加密,人们提出了许多新的加密方案,并对后量子密码学(Post-Quantum Cryptography,PQC)开展了标准化进程。Leighton-Micali签名(Leighton-Micali sig-nature,LMS)是一种基于哈希的后量子签名方案,其私钥和公钥尺寸都较小,且安全性已被充分研究。LMS被互联网工程小组(Internet Engineering Task Force,IETF)选为PQC签名协议的标准方案,同时被美国国家标准技术局(National Institute of Standards and Technology,NIST)选为一种PQC过渡方案。然而,密钥生成过程中的效率低下,成为了LMS实际应用中的瓶颈。在本文中,我们首次对LMS进行基于FPGA的硬件实现与加速。首先,在不损失安全性的基础上,我们将LMS中的主要哈希函数由SHA2替换为SHA3函数。其次,我们设计了一个软硬件协同系统,将核心的哈希运算用硬件进行实现,该系统在消耗较少资源的前提下,可完成LMS协议的所有过程:密钥生成、签名与验证。该系统为物联网(Internet of things,IoT)场景下资源受限的LMS应用提供了参考。接着,我们提出了一个高速的密钥生成架构来加速LMS。该架构中具有可配置性,支持LMS的所有参数集,内部的哈希模块根据使用场景进行设计与部署,且并行度经过精心设计,以使得架构同时达到低延迟和高硬件利用率。此外,设计中的控制逻辑被设计为在适应不同参数集的情况下保持一定程度的恒定功率,以抵御功率分析攻击。该架构使用Verilog实现,并在Xilinx Zynq UltraScale+MPSoC ZCU104 FPGA平台上实验。实验结果表明,与在Intel(R)Core(TM)i7-6850K 3.60GHz CPU上启用多线程的目前较优软件实现相比,本文中的设计在不同参数配置下可实现55x~2091x的加速;与最新的各平台LMS工作相比,本文中设计可实现超过17x的加速;与相近方案的FPGA工作相比,本文中设计可实现约70x的加速。

关键词： Leighton-Micali签名协议基于哈希的签名算法后量子加密硬件实现可编程逻辑阵列

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一种面向RFID的超轻量级流密码算法

计算机工程 2019年第10期45卷 144-149页

作者：夏文涛潘森杉王良民江苏大学计算机科学与通信工程学院

针对无线射频识别(RFID)系统安全性较低的问题,提出一种适用于RFID标签的超轻量级流密码算法Willow。根据正差集性质选取函数抽头,以增加猜测确定攻击的复杂度。采用动态初始化方式并使用位数较小的计数器进行密钥索引和初始化,从而降... 详细信息

针对无线射频识别(RFID)系统安全性较低的问题,提出一种适用于RFID标签的超轻量级流密码算法Willow。根据正差集性质选取函数抽头,以增加猜测确定攻击的复杂度。采用动态初始化方式并使用位数较小的计数器进行密钥索引和初始化,从而降低算法的电路面积和功耗。在Design Compiler上进行对比实验,结果表明,与Grain-v1、Plantlet等算法相比,Willow算法的延迟和功耗均较低,其在硬件性能和安全性上取得了较好的折中。

关键词：超轻量级流密码无线射频识别动态初始化硬件实现时间存储数据折中攻击

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高速并行盲均衡算法研究与实现

高速并行盲均衡算法研究与实现

作者：吴帆重庆大学

学位级别：硕士

近年来,建设大容量卫星移动通信系统成为世界航天大国建设的重要任务,高速数据传输技术作为卫星移动通信系统的关键技术之一,正受到越来越多的关注。而宽带高速数传系统中往往伴随着器件饱和、群时延失真和环境干扰等问题,导致接收端的... 详细信息

近年来,建设大容量卫星移动通信系统成为世界航天大国建设的重要任务,高速数据传输技术作为卫星移动通信系统的关键技术之一,正受到越来越多的关注。而宽带高速数传系统中往往伴随着器件饱和、群时延失真和环境干扰等问题,导致接收端的信号常有码间串扰现象。信道均衡作为高速数传系统中的关键技术,可以有效地消除或减弱上述问题。其中,盲均衡技术具有结构简单、复杂度低和带宽使用率高等优势,非常适用于卫星高速数传基带系统。此外,高速数据流带宽大、速率高,传统的串行处理已经不能适配,并行盲均衡处理手段的研究迫在眉睫。针对卫星高速数传系统中的ISI问题,论文重点研究盲均衡中的Bussgang类算法及其高速并行形式的硬件模块设计。主要研究内容如下:(1)研究了卫星系统的通信链路,通过传播环境、射频信道两方面探讨了信道均衡的必要性,介绍了维纳滤波和卡尔曼滤波两种经典均衡滤波算法,阐述了最陡下降法、最小均方法和递推最小二乘法常见的三种自适应算法,分析了恒模和修正恒模(Modified Constant Modulus Algorithm,MCMA)算法的流程。(2)针对MCMA算法中收敛速度慢的问题,构造了一组新的变步长(Variable Step,VS)曲线函数,该函数在均衡初期步长较大,收敛较快,到均衡收敛时步长有序变小,进而提高算法稳态性能。针对MCMA算法中稳态误差大的问题,设计了双模式算法,在均衡初期使用MCMA算法保证收敛稳定性,到达判决门限时切换成直接判决(Decision Directed,DD)算法减小稳态误差。将两点改进结合,提出了变步长双模式修正恒模(VS-MCMA-DD)算法,仿真结果表明,所提算法既有效地加快了收敛速度又能降低稳态剩余误差。(3)针对并行滤波器中乘法器消耗过多的问题,设计了一种基于短卷积结构的低复杂度并行滤波器,大幅度减少了乘法器使用量。针对并行权向量更新器的迭代反馈设计问题,设计了一种基于流水线结构的并行迭代更新器,进一步减少寄存器使用量。(4)在可编程阵列逻辑(Field Programmable Gate Array,FPGA)硬件平台上开发了8路并行盲均衡器,分析了实现时序和资源消耗,调制方式为16QAM,理论能承受5.76Gbps的高速数据流。搭建测试平台测试了盲均衡器的实际性能,测试结果表明,并行盲均衡器的均衡效果接近理论仿真结果,验证了所设计的盲均衡器的可行性和准确性。

关键词：卫星移动通信盲均衡变步长双模式高速并行硬件实现

基于压缩感知的地下供水管道漏水声信号处理研究

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基于压缩感知的地下供水管道漏水声信号处理研究

作者：赵琦内蒙古师范大学

学位级别：硕士

在当前水资源匮乏的背景下,水资源的浪费情况越来越严重,而地下供水管道的漏水不仅会造成水资源浪费还会影响人们的正常生产和生活。近几年,国内外在漏水监测领域的发展现状表明:大多数的漏水监测方法主要借助低功耗、低成本、自组织能... 详细信息

在当前水资源匮乏的背景下,水资源的浪费情况越来越严重,而地下供水管道的漏水不仅会造成水资源浪费还会影响人们的正常生产和生活。近几年,国内外在漏水监测领域的发展现状表明:大多数的漏水监测方法主要借助低功耗、低成本、自组织能力强的无线传感器节点,但节点本身存在着存储有限、能量不足等问题,因此节点采集的漏水信号在传输过程中会丢失部分有效信息。经过研究发现,压缩感知理论作为一种新兴的采样理论,可以弥补节点存在的不足,有效解决信号采集过程中产生的问题,因此提出使用压缩感知理论来解决信号采集过程出现的问题。本文针对上述问题,主要的研究内容如下:(1)通过前期调研,发现地下供水管道漏水声信号具有两个重要的特性:时变性和低频性,即处在低频段的信号随时间不同而产生变化,因此需要对信号进行预处理,并通过实验验证分帧加窗的方法更适合对地下供水管道漏水声信号进行预处理。(2)在对信号预处理后,结合信号的特性,通过多组对比仿真实验选出适合处理该信号的稀疏基、观测矩阵和重构算法,找到一套理论上适合处理地下供水管道漏水声信号的压缩感知方法,并对重构算法提出了改进思路:在初始化残差时,令残差等于自适应滤波后的最佳输出,这样可以在减少噪声干扰的同时保留更多的低频信号,利于重构的结果,这一改进方法有效提高了重构成功率,得到漏水信息的重构信号。(3)为了在硬件上实现压缩感知理论,对节点采集的实际信号作进一步的处理研究,需要降低运算复杂度,因此构造了适合在硬件上实现的观测矩阵:将满足高斯分布的采样间隔中不同时间的时间间隔存放于将要构造的观测矩阵中,并把这些值随机分布在矩阵的对角线上,使每一行上的点大致满足对角线分布。通过对100Hz正弦波进行重构验证构造的观测矩阵的性能,结果表明,使用构造的观测矩阵重构成功率能够达到98.06%,得到了较高的重构精度。(4)在硬件实现时,将IOT—NODE433节点与LM386声音传感器连接,作为发送节点;IOT—NODE433节点连接PC端作为接收节点。发送节点通过稀疏采样,将得到的采样值发送给接收节点并使用构造的观测矩阵与具有普适性的随机高斯观测矩阵进行对比,得到观测值后,使用本文改进的重构算法进行重构,重构结果证明构造的观测矩阵更适合处理节点采集的信号,更利于在硬件上实现。综上所述,找到一套理论上适合处理地下供水管道漏水声信号的压缩感知方法,并通过仿真实验证明压缩感知可以有效弥补节点存储和能量的不足,恢复出漏水信息的重构信号;在硬件实现时,通过使用IOT—NODE433节点和声音传感器等器件,针对地下供水管道漏水声信号的压缩感知方法得以验证,并对节点采集的地下供水管道漏水声信号使用本文构造的观测矩阵及改进的重构算法进行重构,得到了高精度的重构结果,重构成功率为97.89%。此结果证明本文构造的观测矩阵和改进的重构算法能有效降低运算复杂度适合硬件实现。

关键词：压缩感知漏水监测低频信号算法改进硬件实现

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基于多曝光的WDR算法与硬件实现

基于多曝光的WDR算法与硬件实现

作者：王嘉璐西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着数字图像处理技术的日益发展,普通的数字显示设备由于自身工艺的限制,其动态范围难以达到人眼的级别,再加上成像环境的影响,显示出的图像经常存在着曝光不平衡、颜色失真和运动阴影等问题,图像质量已无法满足人们的要求。宽动态范围... 详细信息

随着数字图像处理技术的日益发展,普通的数字显示设备由于自身工艺的限制,其动态范围难以达到人眼的级别,再加上成像环境的影响,显示出的图像经常存在着曝光不平衡、颜色失真和运动阴影等问题,图像质量已无法满足人们的要求。宽动态范围(Wide Dynamic Range,WDR)技术则正是致力于解决此方面的问题,借助于WDR技术,数字显示设备能够分辨出图像最亮和最暗的部分,因此对于图像高光和阴暗区域的曝光能进行很好的平衡,图像的整体表现更符合人眼的视觉效果。WDR技术也凭借此优势在监控、安防和摄影等多个领域得到了广泛的应用。WDR图像常见的成像方式主要分为两种,一种是基于单帧图像获得WDR图像,另一种是基于多帧图像融合获得WDR图像。单帧成像的方法是通过特殊处理从一张源图像中衍生出多张虚拟的曝光度不同的图像进行合成,这种方式极少会出现运动阴影的问题,但其包含的图像信息太少,无法与多帧图像相比。基于多帧图像合成的方式有多帧源图像,图像信息丰富,可以将每帧图像的最佳区域融合为一体,成像质量远高于前一种方式,因此多帧图像合成也是最为流行的WDR成像方式。但这种方式也存在着问题,对于运动物体需要额外的方法对运动区域进行检测并对运动阴影进行消除。传统的做法是利用帧间差分法对两帧图像作差,然后将差值和给定的一个运动阈值进行比较来检测运动区域,再通过背景补偿方法消除运动阴影。然而对于运动过快的物体,单一的运动阈值并不能准确的判断运动区域,单纯的背景补偿方法也不能有效的消除运动阴影。除此之外,多帧图像融合的过程大多都是通过建模为每一帧源图像分配合适的融合系数,将源图像直接按照一定比例进行融合得到WDR图像,而如果将源图像进行预处理,对源图像中存在的阴影和曝光等缺陷先进行修正,得到一系列新的无污染的图像,然后将这些新图像按照一定条件进行融合,成像质量是可以有进一步的提升的。针对上述多帧曝光图像融合过程中存在的问题,本文对传统做法进行了改进,提出了一种新的基于多曝光的WDR算法,并对此算法做了硬件实现。该算法使用四帧源图像,根据像素点的亮度情况为每一个像素点都分配了合适的融合系数,并对帧间差分法做了改进,运动阈值不再是单一的值,而是设为了一个范围,以此对运动区域进行更准确的检测。在运动阴影消除方面,不再单纯的使用背景补偿方法,而是将其和一种高斯模型相结合,提升运动阴影消除效果。另外,算法使用均值滤波方法对非正常曝光区域的像素点进行了修正。经过上述处理得到了四帧无污染的权重图,对于图像上每个位置的像素点,从四帧权重图相应位置中挑选最合适的两个像素点进行融合,得到WDR图像。将本文算法和传统算法进行对比,计算得到本文算法三个场景的WDR图像的峰值信噪比为31.6,29.8和22.7,平均梯度为0.77,0.69和0.22,对应的传统算法的峰值信噪比29.5,27.2和20.3,平均梯度为0.62,0.57和0.10,本文算法的两种指标均高于传统算法,证明了本文算法的优势。最后在FPGA开发板上对硬件设计进行了测试,确保了硬件设计的准确性,同时也计算了测试图像的峰值信噪比和平均梯度,也均符合算法预期。

关键词：宽动态范围图像合成多帧曝光阴影消除硬件实现

Low Complexity SOVA for Turbo Codes

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China Communications 2017年第8期14卷 33-40页

作者： Ruilin Pei Zulin Wang Qin Huang Jiaqing Wang School of Electronic and Information Engineering Beihang UniversityBeijing100191China Collaborative Innovation Center of Geospatial Technology Wuhan430079China State Key Laboratory of Wireless Mobile Communications(CATT) Beijing100191China

Recently, trimming Soft-output Viterbi algorithm(T-SOVA) has been proposed to reduce the complexity of SOVA for Turbo codes. In its fi rst stage, a dynamic algorithm, lazy Viterbi algorithm, is used to indicate the minimal metric differences which brings obstacle on hardware implementation. This paper proposes a Viterbi algorithm(VA) based T-SOVA to facilitate hardware implementation. In the first stage of our scheme, a modified VA with regular structure is used to fi nd the maximum likelihood(ML) path and calculate the metric differences. Further, local sorting is introduced to trim the metric differences, which reduces the complexity of trimming operation. Simulation results and complexity analysis show that VA based T-SOVA performs as well as lazy VA based T-SOVA and is easier to be applied to hardware implementation.

关键词： Turbo码译码复杂度软输出维特比算法硬件实现复杂度分析动态算法最大似然仿真结果

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后量子加密算法的硬件实现综述

信息安全学报 2021年第6期6卷 1-16页

作者：曹元陆旭吴彦泽谢浩东乔云凯姚恩义陈帅叶靖河海大学物联网工程学院中国常州213000 华南理工大学微电子学院中国广州511442 人工智能与数字经济广东省实验室(广州) 中国广州511442 磐石安全实验室中国常州213000 中国科学院计算技术研究所计算机体系结构国家重点实验室中国北京100190

现有的密码体制大多基于RSA、ECC等公钥密码体制,在信息安全系统中实现密钥交换、数字签名和身份认证等,有其独特的优势,其安全性分别依赖于解决整数分解问题和离散对数问题的难度。近年来,随着量子计算机的快速发展,破解上述数学问题... 详细信息

现有的密码体制大多基于RSA、ECC等公钥密码体制,在信息安全系统中实现密钥交换、数字签名和身份认证等,有其独特的优势,其安全性分别依赖于解决整数分解问题和离散对数问题的难度。近年来,随着量子计算机的快速发展,破解上述数学问题的时间大幅减少,这将严重损害数字通信的安全性、保密性和完整性。与此同时,一个新的密码学领域,即后量子密码学应运而生,基于它的加密算法可以对抗量子计算机的攻击,因此成为近年来的热点研究方向。2016年以来,NIST向世界各地的研究者征集候选抗量子密码学方案,并对全部方案进行安全性、成本和性能的评估,最终通过评估的候选方案将被标准化。本文比较了NIST后量子密码学算法征集(第2轮、第3轮)的各个方案,概述目前后量子加密算法的主要实现方法:基于哈希、基于编码、基于格和基于多变量,分析了各自的安全性,签名参数及计算量的特点以及后期的优化方向。PQC算法在硬件实现上的挑战其一是算法规范的数学复杂性,这些规范通常是由密码学家编写的,关注的重点是其安全性而非实现的效率,其二需要存储大型公钥、私钥和内部状态,这可能会导致不能实现真正的轻量级,从而降低硬件实现的效率。本文重点介绍了目前后量子加密算法的硬件实现方式,包括PQC硬件应用程序编程接口的开发,基于HLS的抽象实现和基于FPGA/ASIC平台的硬件实现。PQC方案的硬件化过程中不仅需要算法的高效实现,同时需要抵抗针对硬件结构的侧信道攻击。侧信道攻击可以通过来自目标设备泄露的相关信息来提取密码设备的密钥。本文讨论了后量子加密算法在具体实现和应用中受到侧信道攻击类别和防御对策。

关键词：量子计算后量子密码加密算法硬件实现