GCM算法的FPGA设计与实现.docVIP

 GCM 算法的 FPGA 设计与实现 张瑶，寿国础** （北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876） 5 10 15 20 25 30 35 40 摘要：GCM（伽罗华域/计数器模式）主要由工作在计数器模式下的分组密码和在伽罗华域 GF（2^128）上的哈希运算组成。本文提出了一种基于 FPGA 的低空间复杂度的 GCM 设计与实 现，实现的 GCM 资源消耗低并且能适用于面向大量应用的高速的网络中。本文开发了一款 FPGA 平台----FPGAnic，在这款平台上实现了本文提出的低复杂度的 GCM 设计，能对网络数 据帧进行加密与认证。在此平台上，加密认证与解密认证能同时进行，并且其工作性能可以 达到线路的最大速率。另外，本文提出了一种低开销的帧加密认证的方案。在 FPGAnic 平台 上实现的 GCM 在千兆网络中进行了测试，在没有丢包与误包的情况下，结果显示 GCM 输出的 最大速率能达到线路的最大速率，表明实现的低复杂度的 GCM 能实际的应用于高速的网络 中。 关键词：FPGA；GCM；低复杂度；实现；GF（2^128） 中图分类号：TN918.91 FPGA Design and Implementation of GCM Algorithm ZHANG Yao, SHOU Guochu (Information and Communication Engineering School, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876) Abstract: GCM (The Galois/Counter Mode) is mainly composed of block cipher working on CTR mode and a hash function over Galois fields GF(2^128). This paper presents a FPGA-based low space complexity GCM design and implementation which has low resource consumption and can be used in high-speed networks. An FPGA development platform----FPGAnic is developed. On this platform, high-speed network authenticated encryption applications is achieved based on this low space complexity GCM. Authenticated encryption and decryption can work simultaneously on a single platform, and the performance can achieve the line rate of the high-speed networks. Besides, a frame authenticated encryption method with low overhead is proposed. In the FPGAnic platform, the implementation of GCM is tested in the gigabit network, in the case of no packet loss and error, the results show that the output throughput of the GCM can reach the maximum line rate, and the low-complexity GCM implementation can be applied to high-speed network environment. Keywords: FPGA; GCM; low complexity; implementation; GF(2^128) 0 引言 GCM[1][2]是一种使用分组密码进行加密并在伽罗华域（GF（2^128））上计算认证标签 的加密认证算法。它工作在计数器模式（CTR），能很好的抵抗位翻转攻击，并能为数据进 行认证。GCM 算法有两个重要的部分：一个用于数据加密的 AES，另一个用于计算认证标 签的伽罗华域乘法器。AES 实现有流水线式[3][4]与迭代式两种；对于在 GF（2^128）乘法器 实现，Arash 使用矩阵的方法[5]优化了 Mast