專利名稱：橢圓曲線密碼協(xié)處理器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息安全技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種橢圓曲線密碼協(xié)處理器。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。WSN通常部署在無人維護(hù)、不可控制的環(huán)境中，除了具有一般無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的信息泄露、信息篡改、 重放攻擊、拒絕服務(wù)等多種威脅外，WSN還面臨傳感節(jié)點(diǎn)容易被攻擊者物理操縱，并獲取存儲(chǔ)在傳感節(jié)點(diǎn)中的所有信息，從而控制部分網(wǎng)絡(luò)的威脅。用戶不可能接受并部署一個(gè)沒有解決好安全和隱私問題的傳感網(wǎng)絡(luò)，因此在進(jìn)行WSN協(xié)議和軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮WSN 可能面臨的安全問題，并把安全機(jī)制特別是身份驗(yàn)證和訪問控制集成到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中去。一種解決方案是采用對(duì)稱密碼來實(shí)現(xiàn)，這種解決方案采用集中式的密鑰管理體系，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)然后分發(fā)密鑰供節(jié)點(diǎn)間建立安全的通道。這種集中式的密鑰管理體系解決方案對(duì)于小型和獨(dú)立的傳感網(wǎng)絡(luò)是有效的，但是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展是一種阻礙。另一種解決方案就是采用公鑰密碼來實(shí)現(xiàn)，基于公鑰密碼(非對(duì)稱密碼)的解決方案不需要一個(gè)活動(dòng)的中心控制器，而是使每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)作和合作。每個(gè)設(shè)備都發(fā)布自己的密鑰和安全策略。標(biāo)識(shí)和策略可以集中創(chuàng)建，然后分發(fā)給節(jié)點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。而采用公鑰密碼的解決方案就需要每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和RFID標(biāo)簽上帶有公鑰密碼協(xié)處理器。目前的公鑰密碼主要有RSA和橢圓曲線密碼系統(tǒng)(ECC)，ECC在1985年分別由 Victor Miller和Neal Koblitz獨(dú)立提出，其安全性是基于橢圓曲線群上的離散對(duì)數(shù)問題 (ECDLP)。與RSA相比，它的每位具有更高的安全強(qiáng)度，導(dǎo)致ECC在實(shí)現(xiàn)方面運(yùn)算速度高同時(shí)所需電路面積小，功耗低，存儲(chǔ)空間小，占用帶寬小，更適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種資源受限制的環(huán)境。ECC中核心運(yùn)算就是基域上的基本運(yùn)算和橢圓曲線上的點(diǎn)乘運(yùn)算。對(duì)于橢圓曲線系統(tǒng)來說，基域的選擇包括素域(P為素?cái)?shù))和(m為擴(kuò)張次數(shù))二元擴(kuò)域。然而，現(xiàn)有的橢圓曲線密碼協(xié)處理器仍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗高等缺點(diǎn)，無法有效用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)和RFID標(biāo)簽等這類資源極度受限的環(huán)境中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種橢圓曲線密碼協(xié)處理器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，接口方式簡(jiǎn)單；采用狀態(tài)機(jī)方式，使運(yùn)算速度大大加快；對(duì)橢圓曲線點(diǎn)乘運(yùn)算過程進(jìn)行了優(yōu)化， 減少了中間變量，從而減少了寄存器個(gè)數(shù)；最大可能的復(fù)用了基域上模加和模乘電路，減小了電路面積。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種橢圓曲線密碼協(xié)處理器，其包括一運(yùn)算控制器、運(yùn)算器、參數(shù)寄存器、及RAM，其中，
該運(yùn)算控制器分別與運(yùn)算器、參數(shù)寄存器及RAM電性連接，用于橢圓曲線點(diǎn)乘運(yùn)算及產(chǎn)生控制信號(hào)給運(yùn)算器完成基域上模加與模乘運(yùn)算；該運(yùn)算器分別與參數(shù)寄存器及RAM電性連接，用于基域上模加與模乘運(yùn)算；該參數(shù)寄存器用于存放橢圓曲線方程中的參數(shù)和預(yù)計(jì)算參數(shù)；該RAM接收外部發(fā)送的數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果，與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。所述運(yùn)算控制器包括數(shù)個(gè)有限狀態(tài)機(jī)、基本運(yùn)算控制單元、計(jì)數(shù)器、及命令寄存器，該數(shù)個(gè)有限狀態(tài)機(jī)用于控制完成橢圓曲線上點(diǎn)運(yùn)算，該基本運(yùn)算控制單元用于產(chǎn)生控制信號(hào)給運(yùn)算器完成基域上模加與模乘運(yùn)算。所述數(shù)個(gè)有限狀態(tài)機(jī)包括第一有限狀態(tài)機(jī)、第二有限狀態(tài)機(jī)及第三有限狀態(tài)機(jī)， 第三有限狀態(tài)機(jī)調(diào)度第一有限狀態(tài)機(jī)及第二有限狀態(tài)機(jī)來完成橢圓曲線上點(diǎn)運(yùn)算。所述運(yùn)算器包括基域上模加與模乘電路。所述基域上模加與模乘電路設(shè)有移位寄存器、第一寄存器及第二寄存器，該第一寄存器及第二寄存器分別用于在基域上模加電路中載入數(shù)據(jù)，第二寄存器中數(shù)據(jù)在經(jīng)過相應(yīng)時(shí)鐘周期后為模加結(jié)果，該移位寄存器及第一寄存器還分別用于在基域上模乘電路中載入數(shù)據(jù)，第二寄存器中數(shù)據(jù)在經(jīng)過相應(yīng)時(shí)鐘周期后為模加結(jié)果。所述RAM通過外部地址和數(shù)據(jù)總線與外部交換數(shù)據(jù)，該運(yùn)算控制器可向一外部 CPU發(fā)出內(nèi)部運(yùn)算狀態(tài)信號(hào)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供一種橢圓曲線密碼協(xié)處理器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，接口方式簡(jiǎn)單；采用狀態(tài)機(jī)方式，使運(yùn)算速度大大加快；對(duì)橢圓曲線點(diǎn)乘運(yùn)算過程進(jìn)行了優(yōu)化，減少了中間變量，從而減少了寄存器個(gè)數(shù)；最大可能的復(fù)用了基域上模加和模乘電路，減小了電路面積。為了能更進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征以及技術(shù)內(nèi)容，請(qǐng)參閱以下有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說明與附圖，然而附圖僅提供參考與說明用，并非用來對(duì)本發(fā)明加以限制。


下面結(jié)合附圖，通過對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的技術(shù)方案及其它有益效果顯而易見。附圖中，圖1為本發(fā)明橢圓曲線密碼協(xié)處理器的電路結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為圖1中運(yùn)算器的電路結(jié)構(gòu)原理圖；圖3為圖2中每個(gè)運(yùn)算單元的電路結(jié)構(gòu)原理圖；圖4為本發(fā)明中第一有限狀態(tài)機(jī)的工作流程圖；圖5為本發(fā)明中第二有限狀態(tài)機(jī)的工作流程圖；圖6為本發(fā)明中第三有限狀態(tài)機(jī)的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明所采取的技術(shù)手段及其效果，以下結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例及其附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。作為本發(fā)明的一種選擇性實(shí)施例，本發(fā)明選取的橢圓曲線為上的橢圓曲線，π 上不可約多項(xiàng)式為f(x) =χ2、χ74+1，β , Z E F m且匕乒0;如圖1-6所示，本
1 2^33，2
發(fā)明提供一種橢圓曲線密碼協(xié)處理器，其包括一運(yùn)算控制器110、運(yùn)算器120、參數(shù)寄存器 130、及RAM140，其中，該運(yùn)算控制器110分別與運(yùn)算器120、參數(shù)寄存器130及RAM140電性
連接，用于橢圓曲線點(diǎn)乘運(yùn)算及產(chǎn)生控制信號(hào)給運(yùn)算器120完成基域F2233上模加與模乘
運(yùn)算；該運(yùn)算器120分別與參數(shù)寄存器130及RAM140電性連接，用于基域&233上模加與模
乘運(yùn)算；該參數(shù)寄存器130用于存放橢圓曲線方程中的參數(shù)b和預(yù)計(jì)算參數(shù)A = X(P2-P1)； 該RAM140接收外部發(fā)送的數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果，與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本發(fā)明通過一運(yùn)算控制器110、運(yùn)算器120、參數(shù)寄存器130、及RAM140來完成橢圓曲線密碼的處理運(yùn)算，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。具體的，該RAM140接收外部發(fā)送的數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果，與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互， RAM140通過外部地址和數(shù)據(jù)總線與外部交換數(shù)據(jù)，外部數(shù)據(jù)寫入RAM140后，運(yùn)算控制器 110產(chǎn)生控制信號(hào)將RAM140中的數(shù)據(jù)讀出，寫入相應(yīng)的寄存器單元，當(dāng)所需數(shù)據(jù)寫完后，運(yùn)算控制器110啟動(dòng)控制信號(hào)或者狀態(tài)機(jī)。運(yùn)算控制器110還會(huì)向RAM140寫入中間結(jié)果或者最終運(yùn)算結(jié)果。運(yùn)算控制器110還會(huì)向外部發(fā)出CPU發(fā)出內(nèi)部運(yùn)算狀態(tài)信號(hào)。該運(yùn)算控制器110包括數(shù)個(gè)有限狀態(tài)機(jī)、基本運(yùn)算控制單元112、計(jì)數(shù)器113、及命令寄存器114，該數(shù)個(gè)有限狀態(tài)機(jī)用于控制完成橢圓曲線上點(diǎn)運(yùn)算，該基本運(yùn)算控制單元
112用于產(chǎn)生控制信號(hào)給運(yùn)算器120完成基域&233上模加與模乘運(yùn)算。優(yōu)選的，該數(shù)個(gè)有限狀態(tài)機(jī)包括第一有限狀態(tài)機(jī)115、第二有限狀態(tài)機(jī)116及第三有限狀態(tài)機(jī)117，第三有限狀態(tài)機(jī)117調(diào)度第一有限狀態(tài)機(jī)115及第二有限狀態(tài)機(jī)116來完成橢圓曲線上點(diǎn)運(yùn)算。圖2為運(yùn)算器130的的電路結(jié)構(gòu)原理圖，該運(yùn)算器120包括基域上模加與模乘電路；所述基域上模加與模乘電路設(shè)有移位寄存器A、第一寄存器B及第二寄存器T，該第一寄
存器B及第二寄存器T分別用于在基域上模加電路中載入數(shù)據(jù)，第二寄存器T中數(shù)據(jù)
在經(jīng)過相應(yīng)時(shí)鐘周期后為模加結(jié)果，該移位寄存器A及第一寄存器B還分別用于在基域上模乘電路中載入數(shù)據(jù)，第二寄存器T中數(shù)據(jù)在經(jīng)過相應(yīng)時(shí)鐘周期后為模加結(jié)果；進(jìn)一步的， 在該電路中，121為連接在上述三個(gè)寄存器之間的數(shù)個(gè)運(yùn)算單元(cell)，122為與門；圖3
是圖2中每個(gè)運(yùn)算單元具體的電路。當(dāng)計(jì)算基域F2233上模加時(shí)，122上的cmd置為0，重置
移位寄存器A，將參與運(yùn)算的操作數(shù)分別載入到第一寄存器B和第二寄存器T中，載入到第二寄存器T中的數(shù)記為C，經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期，第二寄存器T中的值即為模加結(jié)果。當(dāng)計(jì)算
基域F2233上模乘時(shí)，122上的cmd置為1，參與模乘運(yùn)算的操作數(shù)分別載入到移位寄存器A
"233"
和第一寄存器B中，移位寄存器A優(yōu)選為桶移位寄存器，每次向左移d位，經(jīng)過y個(gè)時(shí)鐘
α
周期，第二寄存器τ中的值即為模乘結(jié)果。從圖2和圖3可以看出，模乘運(yùn)算與模加運(yùn)算相比，僅多了移位寄存器A和一部分與門電路，cmd的值不同，其他均為完全復(fù)用；同時(shí)電路僅有與門和異或門構(gòu)成，電路簡(jiǎn)單，功耗低。
該運(yùn)算控制110中的三個(gè)狀態(tài)機(jī)協(xié)同完成橢圓曲線上的點(diǎn)乘運(yùn)算。其中有限狀態(tài)機(jī)3分別調(diào)度有限狀態(tài)機(jī)1和2來完成橢圓曲線點(diǎn)乘運(yùn)算。圖6是本發(fā)明中的第三有限狀態(tài)機(jī)的控制流程圖在步驟601，置 Pl = P ;P2 = 2P ；在步驟602，置 i = 1-2 ；在步驟603，判斷ki是否為0，如果是，則調(diào)度第一有限狀態(tài)機(jī)(如圖4所示)，結(jié)束后執(zhí)行步驟604 ；如果否，則調(diào)度第二有限狀態(tài)機(jī)(如圖5所示)，結(jié)束后執(zhí)行步驟604 ；在步驟604，執(zhí)行i—;在步驟605，判斷i是否小于0，如果否則執(zhí)行步驟603，如果是則結(jié)束。圖4本發(fā)明第一有限狀態(tài)機(jī)的控制流程圖在步驟401，計(jì)算 X2 = X2 · Z1 ；在步驟402，計(jì)算 Z2 = X1 · Z2 ；在步驟403，計(jì)算rX = W,在步驟404，計(jì)算 & = Z2+X2 ；在步驟405，計(jì)算Z2 = Z22 ；在步驟406，計(jì)算 X2 = X4 · Z1 ；在步驟407，計(jì)算 I2 = X2+T。圖5本發(fā)明第二有限狀態(tài)機(jī)的控制流程圖在步驟 501，計(jì)算 Ji1 = X12 ；在步驟502，計(jì)算Z1 = Z12 ；在步驟503，計(jì)算Γ = Zf ；在步驟504，計(jì)算 Z1 = X1 · Z1 ；在步驟505，計(jì)算T = T2 ；在步驟506，計(jì)算 T = b · T ；在步驟507，計(jì)算 JT1 = X12 ；在步驟508，計(jì)算 \ = X^T。通過圖4和圖5的流程中可看出，在計(jì)算過程中，本發(fā)明只需要增加一個(gè)中間的第二寄存器T就可以完成整個(gè)運(yùn)算，這是完成計(jì)算所需的最少的寄存器個(gè)數(shù)，從而能減小電路面積，降低功耗。綜上所述，本發(fā)明提供一種橢圓曲線密碼協(xié)處理器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，接口方式簡(jiǎn)單；采用狀態(tài)機(jī)方式，使運(yùn)算速度大大加快；對(duì)橢圓曲線點(diǎn)乘運(yùn)算過程進(jìn)行了優(yōu)化，減少了中間變量，從而減少了寄存器個(gè)數(shù)；最大可能的復(fù)用了基域上模加和模乘電路，減小了電路面積。以上所述，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)構(gòu)思作出其他各種相應(yīng)的改變和變形，而所有這些改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種橢圓曲線密碼協(xié)處理器，其特征在于，包括一運(yùn)算控制器、運(yùn)算器、參數(shù)寄存器、及RAM，其中，該運(yùn)算控制器分別與運(yùn)算器、參數(shù)寄存器及RAM電性連接，用于橢圓曲線點(diǎn)乘運(yùn)算及產(chǎn)生控制信號(hào)給運(yùn)算器完成基域上模加與模乘運(yùn)算；該運(yùn)算器分別與參數(shù)寄存器及RAM電性連接，用于基域上模加與模乘運(yùn)算；該參數(shù)寄存器用于存放橢圓曲線方程中的參數(shù)和預(yù)計(jì)算參數(shù)；該RAM接收外部發(fā)送的數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果，與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
2.如權(quán)利要求1所述的橢圓曲線密碼協(xié)處理器，其特征在于，所述運(yùn)算控制器包括數(shù)個(gè)有限狀態(tài)機(jī)、基本運(yùn)算控制單元、計(jì)數(shù)器、及命令寄存器，該數(shù)個(gè)有限狀態(tài)機(jī)用于控制完成橢圓曲線上點(diǎn)運(yùn)算，該基本運(yùn)算控制單元用于產(chǎn)生控制信號(hào)給運(yùn)算器完成基域上模加與模乘運(yùn)算。
3.如權(quán)利要求2所述的橢圓曲線密碼協(xié)處理器，其特征在于，所述數(shù)個(gè)有限狀態(tài)機(jī)包括第一有限狀態(tài)機(jī)、第二有限狀態(tài)機(jī)及第三有限狀態(tài)機(jī)，第三有限狀態(tài)機(jī)調(diào)度第一有限狀態(tài)機(jī)及第二有限狀態(tài)機(jī)來完成橢圓曲線上點(diǎn)運(yùn)算。
4.如權(quán)利要求1所述的橢圓曲線密碼協(xié)處理器，其特征在于，所述運(yùn)算器包括基域上模加與模乘電路。
5.如權(quán)利要求4所述的橢圓曲線密碼協(xié)處理器，其特征在于，所述基域上模加與模乘電路設(shè)有移位寄存器、第一寄存器及第二寄存器，該第一寄存器及第二寄存器分別用于在基域上模加電路中載入數(shù)據(jù)，第二寄存器中數(shù)據(jù)在經(jīng)過相應(yīng)時(shí)鐘周期后為模加結(jié)果，該移位寄存器及第一寄存器還分別用于在基域上模乘電路中載入數(shù)據(jù)，第二寄存器中數(shù)據(jù)在經(jīng)過相應(yīng)時(shí)鐘周期后為模加結(jié)果。
6.如權(quán)利要求1所述的橢圓曲線密碼協(xié)處理器，其特征在于，所述RAM通過外部地址和數(shù)據(jù)總線與外部交換數(shù)據(jù)，該運(yùn)算控制器可向一外部CPU發(fā)出內(nèi)部運(yùn)算狀態(tài)信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種橢圓曲線密碼協(xié)處理器，其包括一運(yùn)算控制器、運(yùn)算器、參數(shù)寄存器、及RAM，其中，該運(yùn)算控制器分別與運(yùn)算器、參數(shù)寄存器及RAM電性連接，用于橢圓曲線點(diǎn)乘運(yùn)算及產(chǎn)生控制信號(hào)給運(yùn)算器完成基域上模加與模乘運(yùn)算；該運(yùn)算器分別與參數(shù)寄存器及RAM電性連接，用于基域上模加與模乘運(yùn)算；該參數(shù)寄存器用于存放橢圓曲線方程中的參數(shù)和預(yù)計(jì)算參數(shù)；該RAM接收外部發(fā)送的數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果，與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。本發(fā)明接口方式簡(jiǎn)單；采用狀態(tài)機(jī)方式，使運(yùn)算速度大大加快；對(duì)橢圓曲線點(diǎn)乘運(yùn)算過程進(jìn)行了優(yōu)化，減少了中間變量，從而減少了寄存器個(gè)數(shù)；最大可能的復(fù)用了基域上模加和模乘電路，減小了電路面積。
文檔編號(hào)H04L9/32GK102412965SQ20111022728
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者孫永戰(zhàn) 申請(qǐng)人:深圳市德卡科技有限公司