密码芯片设计基础

目录 第1章 绪论 1 1.1 密码芯片 1 1.1.1 密码芯片的概念 1 1.1.2 密码芯片的功能 2 1.1.3 密码芯片的分类 3 1.1.4 密码芯片的作用 3 1.2 密码芯片发展概况 4 1.2.1 密码芯片发展背景 4 1.2.2 密码芯片发展现状 5 1.2.3 密码芯片发展趋势 6 1.3 密码芯片通用性能指标 6 1.3.1 电气特性 7 1.3.2 时序特性 8 1.4 密码处理速度 10 1.4.1 分组密码算法芯片处理速度 10 1.4.2 序列密码算法芯片处理速度 13 1.4.3 杂凑算法芯片处理速度 13 1.4.4 非对称密码算法芯片处理速度 14 习题一 15 第2章 密码芯片设计概述 18 2.1 密码芯片设计描述方法 18 2.1.1 数字系统与密码芯片 18 2.1.2 数字系统层次化描述方法 19 2.1.3 数字系统的设计方法 20 2.1.4 数字系统描述方法 22 2.2 密码芯片总体设计 24 2.2.1 密码模块与密码芯片 24 2.2.2 分组密码算法芯片 25 2.2.3 序列密码算法芯片 28 2.2.4 杂凑算法芯片 31 2.2.5 RSA算法芯片 32 2.3 密码芯片结构设计 34 2.3.1 基本结构 34 2.3.2 分组密码算法芯片组成结构 34 2.3.3 序列密码算法芯片组成结构 36 2.3.4 杂凑算法芯片组成结构 37 2.3.5 RSA算法芯片组成结构 38 2.4 密码芯片的实现方式 40 2.4.1 专用集成电路 40 2.4.2 现场可编程门阵列 41 2.4.3 密码芯片的器件选型 42 习题二 43 第3章 密码运算单元设计 45 3.1 密码算法基本运算单元 45 3.2 逻辑运算单元 46 3.2.1 分组密码中的多位异或操作 46 3.2.2 杂凑算法中的多变量逻辑函数 47 3.3 反馈移位寄存器单元 48 3.3.1 反馈移位寄存器及相关操作 48 3.3.2 线性反馈移位寄存器操作单元 49 3.3.3 非线性反馈移位寄存器操作单元 51 3.3.4 钟控反馈移位寄存器操作单元 52 3.4 加法运算单元 55 3.4.1 密码算法中的加法运算 55 3.4.2 加减法运算基本电路架构 56 3.4.3 连加运算 60 3.5 乘法运算单元 62 3.5.1 密码算法中的乘法运算 62 3.5.2 阵列乘法单元 63 3.5.3 移位乘法电路 65 3.5.4 模乘运算电路 67 3.6 有限域乘法运算单元 70 3.6.1 密码算法中的有限域运算 70 3.6.2 有限域乘法运算方法 73 3.6.3 有限域乘法运算实现技术 76 3.7 移位操作单元 80 3.7.1 密码算法中的移位操作 80 3.7.2 移位操作单元 82 3.8 比特置换单元 85 3.8.1 密码算法中的比特置换操作 85 3.8.2 比特置换实现技术 88 3.9 查表操作单元 91 3.9.1 密码算法中的查表操作 91 3.9.2 查表操作实现方式 92 习题三 96 第4章 存储单元与互联单元 100 4.1 存储单元 100 4.1.1 基本寄存器的描述与实现 100 4.1.2 寄存器堆电路 101 4.1.3 移位存储电路 102 4.1.4 基于RAM的数据存储电路 104 4.1.5 基于FIFO的数据存储电路 105 4.2 互联单元 110 4.2.1 基本单元 110 4.2.2 总线 112 4.2.3 交叉开关网络 114 习题四 115 第5章 数据路径设计 119 5.1 数据路径的功能作用与设计方法 119 5.1.1 数据路径的功能作用 119 5.1.2 数据路径基本组成 119 5.1.3 数据路径设计步骤 121 5.2 DES 算法芯片数据路径 122 5.2.1 数据路径构成 122 5.2.2 加解密算法数据路径 123 5.2.3 子密钥生成模块 129 5.3 Grain-80算法乱数生成芯片数据路径 134 5.3.1 算法概述 134 5.3.2 总体设计 135 5.3.3 Grain-80乱数生成芯片数据路径 136 5.4 SHA1算法芯片数据路径 141 5.4.1 总体构成 141 5.4.2 数据路径电路结构 143 5.4.3 消息预处理 145 5.5 大整数乘法电路数据路径 149 5.5.1 大整数乘法运算 149 5.5.2 1024bit乘法单元数据路径 152 习题五 154 第6章 控制单元设计 162 6.1 控制器的概念及设计方法 162 6.1.1 密码芯片控制方式 162 6.1.2 控制器的基本结构 164 6.1.3 控制器分类及实现方式 164 6.1.4 控制器设计步骤 166 6.2 简单的定制型控制器设计 168 6.2.1 基于时序图的分析方法 168 6.2.2 移位寄存器型控制器 173 6.2.3 计数器型控制器设计 176 6.3 状态机型控制器设计 184 6.3.1 有限状态机概述 184 6.3.2 密钥实时生成DES算法芯片控制器设计 191 6.3.3 Grain-80算法乱数生成模块控制器 193 6.3.4 SHA1算法芯片控制器设计 199 6.4 微代码控制器设计 213 6.4.1 微代码控制器概述 213 6.4.2 DES算法芯片控制器设计 218 6.4.3 Grain-80算法乱数生成模块控制器设计 223 习题六 229 第7章 密码芯片安全防护 235 7.1 密码芯片面临的安全威胁 235 7.2 安全防护方法概述 236 7.3 侧信道分析攻击原理分析 239 7.3.1 能量分析攻击 239 7.3.2 电磁辐射分析攻击 243 7.3.3 计时分析攻击 243 7.4 抗能量/电磁分析防护技术 244 7.4.1 算法级防护技术 245 7.4.2 系统级防护技术 246 7.4.3 电路级防护技术 246 7.4.4 DES算法掩码实现 247 7.5 抗计时分析防护技术 250 7.5.1 时间维度防护 250 7.5.2 空间维度防护 252 7.6 故障注入攻击与防护技术 252 7.6.1 故障注入攻击 252 7.6.2 抗故障注入攻击与防护技术 254 习题七 256 参考文献 258