【摘 要】
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随着物联网技术的快速发展,信息传输过程中诸如个人隐私等数据的安全已然受到严峻威胁,有关信息安全问题的研究也逐渐被越来越多的研究人员关注。密码学作为信息安全的基础,可以保障信息传递过程中的保密性、完整性以及抗攻击性等。哈希算法是密码算法的一种,它是单向散列函数,具有不可逆的特性,借由这种特性哈希算法可以应用于数据的完整性校验、唯一标识和数字签名等场景。近些年,伴随着密码学的发展,哈希算法也发展出了多
【基金项目】
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广东省科技计划项目（2017B010124003）,项目所属课题是新一代信息安全技术及其在智能硬件中的应用及产业化；
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随着物联网技术的快速发展,信息传输过程中诸如个人隐私等数据的安全已然受到严峻威胁,有关信息安全问题的研究也逐渐被越来越多的研究人员关注。密码学作为信息安全的基础,可以保障信息传递过程中的保密性、完整性以及抗攻击性等。哈希算法是密码算法的一种,它是单向散列函数,具有不可逆的特性,借由这种特性哈希算法可以应用于数据的完整性校验、唯一标识和数字签名等场景。近些年,伴随着密码学的发展,哈希算法也发展出了多种类型,主要包括MD5、SHA-1、SHA-2和SHA-3以及SM3等,其中SHA-2、SHA-3和SM3是当前主流的哈希算法。本文根据不同应用场景,结合国内和国际的哈希算法标准,分别选取了SM3和SHA-3两种算法进行设计,最终设计结果基本实现硬件模块面积的最优化,其中SM3和SHA-3算法的硬件复用设计是本文的创新点。主要内容如下:（1）针对算法硬件设计,本文在保证速度满足一定要求的情况下,着重于面积的优化。过程中,首先结合软硬件协同设计思想,将SM3和SHA-3算法数据填充部分用软件实现,如此,既节省了面积资源,又提高了算法的灵活性;其次通过时分复用、优化加法器以及拆分流水线等方法减少了寄存器等逻辑器件的数量,实现了面积的最优化;最后使用硬件结构复用方法实现了SM3和SHA-3算法的复用设计。（2）功能验证方面,采用Synopsys公司的VCS仿真调试软件对算法硬件模块进行模块级和系统级的前仿真测试,并使用FMX7A开发板进行FPGA板级验证,结果显示硬件模块通过仿真测试与板级验证,功能正常。（3）在综合性能分析中,基于中芯国际55nm工艺,采用DC逻辑综合工具对模块进行综合。在频率分别为500MHz和200MHz时,结果显示,SM3和SHA-3模块面积分别为253088)2和621068)2,吞吐率也分别达到1.7Gbps和12.4Gbps。在与其他设计进行比较后可以发现,SM3和SHA-3算法模块的面积最优,同时频率和吞吐率也具有一定的优势。另外,SM3和SHA-3复用硬件设计综合后面积约为730848)2,可以看出,复用结构在面积方面具有很大的优势,同时速度和吞吐率也基本满足要求,设计结果总体符合预期。
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