0 引言

    SHA-2(Security Hash Algorithm-2)安全散列算法是由美國國家安全局(NSA)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)在2002年公布的一種密碼散列算法,。其主要作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的單向映射，它可以將任意長度的消息映射成固定長度的消息摘要,，并且映射過程不可逆^[1],。根據(jù)不同的輸出消息摘要的長度,，SHA-2家族分為SHA-224,、SHA-256、SHA-384,、SHA-512四種算法,，它們主要用于數(shù)字簽名、指紋驗證以及網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議等領(lǐng)域,。

    現(xiàn)有的高吞吐率SHA256通常采用流水的硬件實現(xiàn)方式,，因此，本文將在現(xiàn)有流水結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,，采用基于鎖存器存儲的數(shù)據(jù)流水方式替代傳統(tǒng)的基于寄存器翻轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)流水方式,。

1 SHA256算法概述

1.1 SHA256流水實現(xiàn)方式

    SHA256能將任意有限長度的輸入消息(長度小于2⁶⁴位)轉(zhuǎn)換為256位的輸出消息摘要。步驟分為數(shù)據(jù)預(yù)處理,、數(shù)據(jù)擴充和數(shù)據(jù)壓縮三個部分^[2],。

1.1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1.2 數(shù)據(jù)擴展

    在式(3)中，算子為按位異或,，算子為按位與,，算子為按位取反，算子SHRⁿ為右移n位,，ROTRⁿ為循環(huán)右移n位,。

1.1.3 數(shù)據(jù)壓縮

    現(xiàn)假設(shè)8個迭代變量分別為A、B,、C,、D,、E、F,、G,、H。首先按照式(4)規(guī)定的算法初始化8個變量,，其中H^j-1為第j-1個數(shù)據(jù)塊(M^j)迭代后輸出哈希值,，初始值由式(1)給出。

    經(jīng)過上述初始賦值后進行如下迭代操作：對于t=0~63：(K_t是一組常量^[5])

    經(jīng)過64次迭代之后,，最終的散列值計算方法如式(6)所示：

    這里,，||表示拼接符。剩下數(shù)據(jù)塊采用與上述相同的方式進行壓縮,，且每一數(shù)據(jù)塊的輸出256值作為下一個數(shù)據(jù)塊的輸入值,，最終經(jīng)過多次運用該算法，可以將任意長度的輸入數(shù)據(jù)壓縮成為256位輸出消息摘要,。

1.2 通用的流水電路結(jié)構(gòu)

    基于寄存器翻轉(zhuǎn)的SHA256全流水電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,，它包括數(shù)據(jù)壓縮部分流水結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)擴展流水結(jié)構(gòu)。當(dāng)每個時鐘觸發(fā)沿到來時,，數(shù)據(jù)擴展部分進入一個新的數(shù)據(jù)塊M_i,，構(gòu)成W_0i～W_15i，并存入數(shù)據(jù)擴展部分的第一級寄存器組,，其中W_0i將輸入至數(shù)據(jù)壓縮部分,，進行第一輪的壓縮。然后,，隨著時鐘觸發(fā)沿的不斷到來,，第i個數(shù)據(jù)塊不斷往前進行流水傳輸，并逐級進行擴展,，以產(chǎn)生W_16i～W_63i,，同時逐步將W_1i～W_63i輸入至數(shù)據(jù)壓縮部分進行壓縮，直至完成64輪壓縮,，得到最終的A_63i～H_63i,，使第i個數(shù)據(jù)塊M_i處理完成。此時,，與M_i相關(guān)的信息將全部移出流水結(jié)構(gòu),，流水結(jié)構(gòu)正在處理的將是M_i1～M_i64的數(shù)據(jù)塊。

    在上述結(jié)構(gòu)中,，采用64級A-H寄存器暫存64個輸入數(shù)據(jù)塊的壓縮信息,，同時采用64級Wt寄存器暫存64個輸入數(shù)據(jù)塊的擴展信息?？梢钥闯?，傳統(tǒng)全流水結(jié)構(gòu)在獲得高吞吐率的同時,，也將消耗掉大量的寄存器和壓縮、擴展算子^[5],。

1.3 SHA256流水結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

    目前國內(nèi)外文獻對SHA256的流水實現(xiàn)方式提出了很多優(yōu)化方案,。文獻[6]提出了一種四級流水的結(jié)構(gòu)，提高了運算速度,，增大了吞吐率,；文獻[7]提出了一種Wallace樹方式互連的CSA組合樹結(jié)構(gòu)來添加多操作數(shù)，減少了SHA256電路更新中加法器所導(dǎo)致的延遲,，提高了電路性能,；文獻[8]中提出一種14 nm三柵CMOS工藝實現(xiàn)SHA256安全散列硬件加速器，通過預(yù)先添加消息摘要,，采用多路調(diào)用的方式完成分布式哈希計算,，增大了吞吐率；文獻[9]中提出了一種基于可重構(gòu)硬件的SHA256電路,，在面積和最大頻率方面得到優(yōu)化,，最高吞吐率達到2 027.84 Mb/s；另外,，文獻[10]中基于硬件描述語言實現(xiàn)了SHA256哈希函數(shù)的優(yōu)化流水線結(jié)構(gòu),，對壓縮器和擴展塊進行了修改，加入進位跳躍加法器提高體系結(jié)構(gòu)的性能,，實現(xiàn)SHA256的優(yōu)化,。

    雖然上述文獻采用了多種優(yōu)化方案提高SHA256硬件實現(xiàn)電路的效率,，但是大多都是基于寄存器翻轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)流水方式,。而對于SHA256流水結(jié)構(gòu)而言，其硬件實現(xiàn)需要使用大量的寄存器,。雖然基于寄存器翻轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)流水方式實現(xiàn)簡單,，但是其動態(tài)翻轉(zhuǎn)功耗較大。因此,，為了減小功耗,，本文提出了一種基于鎖存器存儲的SHA256流水硬件實現(xiàn)電路。

2 存儲方案

    本節(jié)將主要從數(shù)據(jù)壓縮部分介紹本文提出的基于鎖存器存儲的全流水實現(xiàn)方式,。

    采用鎖存器存儲每一輪迭代新產(chǎn)生的A和E,，再通過選擇存儲器中已存的前4輪的A和E數(shù)據(jù)去計算得到新一輪的A和E。但在輸入級計算A₂,、A₃,、A₄和E₂、E₃,、E₄時,，會存在缺少前輪計算數(shù)據(jù)的情況,。因此，本節(jié)將分別從通用級存儲結(jié)構(gòu)和輸入級(A₀～A₄,，E₀～E₄)存儲結(jié)構(gòu)對該存儲方案進行介紹,。

2.1 通用級存儲結(jié)構(gòu)

    以64級標(biāo)準(zhǔn)流水電路結(jié)構(gòu)為例，關(guān)注前五輪Round1～Round5新產(chǎn)生的A和E,，具體算法如式(7)～式(11)所示：

    A₁和E₁由Round1產(chǎn)生,，但在Round2～Round5中都被使用，因此,，A₁和E₁并不需要逐級往前傳遞,，而是可以采用存儲器存儲起來，當(dāng)Round2～Round5的迭代需要使用該數(shù)據(jù)時,，直接在存儲器中讀取該數(shù)據(jù)即可,。當(dāng)4個時鐘周期過后，A₁和E₁生命周期結(jié)束,，在后續(xù)迭代過程中不再被使用,，此時存儲在存儲器中的A₁和E₁可以被擦除并更新。

    更普遍地,，寫出每級的A～H：

    其中k意味著第k級存儲器,，i為第i個輸入數(shù)據(jù)。如圖2所示,，討論存儲方案實現(xiàn)的通用情況,。

    對于第k級，只需要兩個存儲器組來分別存儲A和E,，每個寄存器組的大小為4×32位,，分別存儲A_{k_i}、A_{k_i+1},、A_{k_i+2},、A_{k_i+3}和E_{k_i}、E_{k_i+1},、E_{k_i+2},、E_{k_i+3}，其中A_{k_i+3},、E_{k_i+3}為第k輪新產(chǎn)生的數(shù)據(jù),，A_{k_i}、A_{k_i+1},、A_{k_i+2}和E_{k_i},、E_{k_i+1}、E_{k_i+2}為存儲在存儲器中的前3輪產(chǎn)生的數(shù)據(jù),。

    對于第i個輸入數(shù)據(jù),，在k輪迭代運算完成后,，得到的數(shù)據(jù)并不往前傳，而是繼續(xù)存儲在第k級對應(yīng)的存儲器中,，以便第k+4輪迭代運算進行調(diào)用,。為了得到A_{k+4_i}和E_{k+4_i}，使用了第k級存儲器存儲的A_{k_i}和E_{k_i},、第k+1級存儲器存儲的A_{k+1_i}和E_{k+1_i},、第K+2級存儲器存儲的A_{k+2_i}和E_{k+2_i}以及第k+3級存儲器存儲的A_{k+3_i}和E_{k+3_i}：

2.2 輸入級存儲結(jié)構(gòu)

    對于輸入級，即A₀～A₄和E₀～E₄,，在本存儲方案中,，由于新數(shù)據(jù)的產(chǎn)生需要用到前三級存儲器中的數(shù)據(jù)，根據(jù)式(7)～式(11),，A₁和E₁可以完全由外部輸入數(shù)據(jù)計算得到,，但A₂、A₃,、A₄和E₂,、E₃、E₄的產(chǎn)生仍需要用到輸入的A₀和E₀,。因此,，引入三級輸入緩沖存儲器存儲相應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)，如圖3所示,。

    每組輸入緩沖存儲器為32位,，共12組，其中HA_{3-1_i-3},、HE_{3-1_i-3}用于存儲第i-3個輸入數(shù)據(jù)的A和E,，HA_{2-1_i-2}、HA_{2-2_i-2}用于存儲第i-2個輸入數(shù)據(jù)的A和B,，HE_{2-1_i-2},、HE_{2-2_i-2}用于存儲第i-2個輸入數(shù)據(jù)的E和F,，緩沖存儲器中的數(shù)據(jù)仍采用逐級傳遞的方式,。

    引入上述緩沖存儲器后，在Round1～Round4,，A₂,、A₃、A₄和E₂,、E₃,、E₄的產(chǎn)生都可以通過調(diào)用緩沖存儲器中的數(shù)據(jù)進行計算得到；在Round5,，A₅和E₅由A₁,、A₂,、A₃、A₄和E₁,、E₂,、E₃、E₄計算得到,，且計算形式與式(13)一致,。由此，輸入級存儲結(jié)構(gòu)和通用級存儲結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了完整的數(shù)據(jù)壓縮存儲結(jié)構(gòu),。

2.3 完整數(shù)據(jù)壓縮存儲結(jié)構(gòu)

    完整數(shù)據(jù)壓縮存儲結(jié)構(gòu)如圖4所示,。對于輸入級，在時鐘觸發(fā)沿,，數(shù)據(jù)輸入首先存儲在第1級存儲器(Latch1_AE)中,，在數(shù)據(jù)逐級向緩沖器傳遞的同時產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。輸入級數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方式如下：輸入端MUX選擇輸入的數(shù)據(jù),，經(jīng)過壓縮算子計算模塊計算的輸出值順序存儲在存儲器中,。經(jīng)過四個周期后，A₀,、E₀的生命周期結(jié)束,，存儲器對應(yīng)位置的值被擦除并更新為A_{0_i+4}和E_{0_i+4}，同時,，數(shù)據(jù)壓縮進入正常流水級,。

    在正常流水級中，數(shù)據(jù)壓縮方式與輸入級一致,，通過8個MUX選擇輸入數(shù)據(jù),，經(jīng)過壓縮算子計算模塊后將輸出值順序存儲在存儲器中，在四個周期后,，存儲器中的數(shù)據(jù)被重新更新,。經(jīng)過64輪迭代之后，散列值的計算方式如式(14)所示：

其中DM_j-1為M^j數(shù)據(jù)塊迭代后輸出哈希值,，DM_j為第M^j-1數(shù)據(jù)塊迭代后輸出哈希值,，m、n,、p,、q表示當(dāng)前時刻存儲在存儲器中第m、n,、p,、q組的數(shù)據(jù)。

    另外，數(shù)據(jù)擴展部分原理與數(shù)據(jù)壓縮部分原理相似,，同樣采用鎖存器進行存儲,，只不過數(shù)據(jù)存儲的周期略有區(qū)別。通過MUX選擇開關(guān)選擇參與數(shù)據(jù)壓縮計算部分的數(shù)據(jù),，新的擴展數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和存儲也通過選擇開關(guān)實現(xiàn),，此處不做贅述。

3 電路設(shè)計

3.1 存儲器

    存儲器采用圖5所示的latch結(jié)構(gòu),，通過控制使能信號來實現(xiàn)存儲功能,。每組存儲單元大小為32位，采用4組32位latch分別存儲A和E,，通過使能信號(EN0,、EN1、EN2,、EN3)來控制數(shù)據(jù)存儲位置(EN和ENB為一對反向信號),。

3.2 使能信號產(chǎn)生電路

    控制存儲器存儲和開關(guān)通斷的使能信號產(chǎn)生電路如圖6所示。電路由計數(shù)器(Cnt),、二四譯碼器(Dec)和非交疊使能信號電路(N)組成,。產(chǎn)生四組占空比為1:3的使能信號，每組信號之間有1/4周期的延時,。

3.3 非交疊使能信號產(chǎn)生電路

    在數(shù)據(jù)選擇電路(MUX)中需要非交疊的使能信號來控制開關(guān)不會被兩個使能信號同時打開,，減少漏電。所采用的非交疊信號產(chǎn)生電路如圖7所示,，其中RS觸發(fā)器產(chǎn)生非交疊的信號,，與非門用于占空比的調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)虛線框圖中的反向器個數(shù)n來形成四組非交疊的使能信號,。

3.4 選擇開關(guān)電路

    選擇開關(guān)由反相器和TG32構(gòu)成,，如圖8所示。由四組選擇開關(guān)構(gòu)成一個總的選擇開關(guān),，分別選擇A和E,。通過使能信號控制開關(guān)通斷實現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇功能，選擇數(shù)據(jù)時的使能信號和存儲數(shù)據(jù)時的使能信號保持一致,。TG32開關(guān)由四組圖5中用到的8位傳輸門構(gòu)成,，由一組使能信號控制(EN和ENB)。通過EN1,、EN2,、EN3、EN4四組信號進行選擇,，選擇數(shù)據(jù)方式如式(13)所示。

4 性能評估

4.1 ModelSim仿真

    使用Verilog硬件描述語言分別實現(xiàn)本文提出的基于鎖存器存儲和傳統(tǒng)基于寄存器翻轉(zhuǎn)的流水電路，并采用ModelSim進行仿真,。在相同的仿真激勵下,，仿真結(jié)果如圖9所示。

    其中sim為傳統(tǒng)基于寄存器翻轉(zhuǎn)的流水電路波形圖,，vsim為本文提出的基于鎖存器存儲的電路波形圖,，DM_pre、DM_new分別為輸入值和輸出值,，圖中框線內(nèi)的值表示在相同的激勵條件下,，傳統(tǒng)基于寄存器翻轉(zhuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)流水結(jié)構(gòu)(sim:DM_new)和本文所提出的電路結(jié)構(gòu)(vsim:DM_new)的輸出值。

    仿真結(jié)果表明：在相同的仿真激勵情況下,，本文提出的電路結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)流水電路結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果一致,，驗證了本文提出的電路結(jié)構(gòu)的可行性。

4.2 Cadence仿真

    為了進一步驗證本文所提出的存儲結(jié)構(gòu)在功耗和面積方面的優(yōu)勢,，本文基于28 nm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝,，在MOS晶體管級設(shè)計出本文提出的基于鎖存器存儲的電路和對應(yīng)的傳統(tǒng)的基于寄存器翻轉(zhuǎn)的流水?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SHA256標(biāo)準(zhǔn)電路。在相同的激勵情況下,，功耗仿真結(jié)果如圖10所示,。

    其中I0波形為傳統(tǒng)流水結(jié)構(gòu)的電流波形，I1波形為本文提出的電路結(jié)構(gòu)的電流波形,。因為后續(xù)的電路結(jié)構(gòu)與前四級一致,，所以比較前四級功耗和面積即可。經(jīng)計算,，本文提出的電路結(jié)構(gòu)四級運算的總電流I=1.308 mA,，相同激勵條件下，正常流水結(jié)構(gòu)電路四級運算的總電流I=1.804 mA,。

    比較可知,，在相同的激勵下，本方案降低功耗約為27.5%,。同時從圖10可以看出,，本方案對應(yīng)的最大瞬態(tài)功耗也遠小于基于寄存器翻轉(zhuǎn)的流水結(jié)構(gòu)。在成本方面,，本存儲方案四級電路共需晶體管488個,，而正常流水結(jié)構(gòu)電路四級共需晶體管960個。比較可知,，在相同的功能情況下,，可近似認為本存儲方案優(yōu)化面積約49.2%。

    因此,，通過ModelSim仿真和Cadence仿真驗證了本存儲方案的可行性和優(yōu)化效果,。本文提出的基于鎖存器存儲的電路結(jié)構(gòu)優(yōu)于現(xiàn)有的基于寄存器翻轉(zhuǎn)的SHA256流水電路結(jié)構(gòu)，具有功耗低、面積小的優(yōu)勢,。

5 結(jié)論

    本文提出了一種新型的適用于全流水結(jié)構(gòu)的SHA256數(shù)據(jù)迭代方案,。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)全流水結(jié)構(gòu)SHA256系列電路數(shù)據(jù)傳輸特點，只存儲每一級產(chǎn)生的A和E,，在每4輪迭代之后,，所存儲的A和E數(shù)據(jù)被擦除并更新。如此,，每級流水只需要采用latch存儲A和E,，而其他所需數(shù)據(jù)則通過MUX來選擇前1～4級所存儲的數(shù)據(jù)，不涉及寄存器的翻轉(zhuǎn),。存儲方案新增硬件主要來自于MUX,。但相較于正常流水結(jié)構(gòu)，MUX的結(jié)構(gòu)簡單,，并且存儲電路也比寄存器結(jié)構(gòu)簡單,，進而減少了硬件開銷和動態(tài)功耗?；?8 nm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的仿真結(jié)果顯示,，采用存儲方案實現(xiàn)SHA256的流水結(jié)構(gòu)電路后，對應(yīng)的功耗優(yōu)化比例約為27.5%,，面積優(yōu)化比例約為49.2%,。

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作者信息:

陳鎮(zhèn)江1，張  寅1,，張志文1,，盧  仕1，劉玖陽2,，萬美琳1,，戴  葵2

(1.湖北大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430060,；2.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院,，湖北 武漢430062)