安全芯片加密模块的研究与设计
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通过以上两级保护，使数据的安全性得到 保障。
本论文中主要研究数据加密部分——主 要由公钥密码算法 ＲＳＡ 实现。 ２．１ ＲＳＡ 简介［４］
ＲＳＡ 密码是 １９７７ 年由 Ｒｉｖｅｓｔ、Ｓｈａｍｉｒ、 Ａｄｌｅｍａｎ 研究出的一种利用大数因子分解的 困难性而设计的一种公钥密码算法。其基础 是欧拉定理，安全性依赖于大数因子分解的困 难性， 至今没有很好的破解方法。
图 ２ 模乘仿真结果部分图
２ 结语 本文首先介绍了一种安全芯片及其安全
模块的模型，并对其中的公钥算法的实现进行 了论述与实现。对 Ｒ Ｓ Ａ 算法的改进， 并在硬 件实现过程中， 跟据具体情况做了不断的调 整， 使改进后的 Ｒ Ｓ Ａ 的速度及存储得到一定 的改进。
参考文献 ［１］ 王新成．可信计算与系统安全芯片［Ｊ］．计算
这三个方面恰恰说明人们对信息安全问 题仍然存在着一个大盲区。究其根源，都是终 端保护不足所引起的。随之人们又把注意力 转移到另一类加密技术——硬件加密上。
但硬件加密仍然存在一定的不足。来自 硬件的威胁主要有：芯片的克隆、反工程、黑 盒攻击三种［２］。
目前，硬件加密技术主要应用在信息安全 芯片中。其应用领域亦十分广泛［３］。但其技 术仍有待进一步完善。
行硬件的特点有效进行。对于加密卡的模型 有几下几点分析：
首先，对于存取访问敏感数据设备（硬件设 备、网络、板卡……） 应当进行加密的身份 验证。这样可以保证内部数据安全性。
其次， 对于数据的本身， 其存储及访问应 该进行加密。这样， 非法读取数据时得到的 数据具有不可读性，以及密钥错误的不可更改 性， 以达到数据的安全不被读取、更改。
ＲＳＡ 算法的硬件实现可以分成密钥生成、 加密（验证）、解密（签名）三部分。ＲＳＡ 的加解 密运算是大数运算，最基本的运算包括大数加 法、大数减法、大数乘法、大数除法。具体可 参见文献 ４。 ２．２ ＲＳＡ 的硬件实现
对于 Ｒ Ｓ Ａ 算法的实现， 我们应该注意以 下几个方面：密钥长度方面：１０２４ 位；参数方 面：强的素数，大的私钥 ｄ 等。对于 １０２４ 位密 钥，私钥指数 ｄ 应不小于 ３００位长；实现细节方 面： 防止信息泄漏和出错处理。［ ５ ］
２ ＦＰＧＡ 内部加密模块的说明 根据当前的数字信息的安全情况，在必要
的硬件设备或网络设备中添加硬件加密模块是 十分重要的。本模块主要针对一些敏感数据安 全性需要的部门或对硬件设备的安全性进行配 置。模块可以对身份进行验证或对数据进行加 密， 以确保数据不被盗取及非法访问。
本模块的具体设计及实施上，紧密结合现
高 新 技 术
科技咨询导报 ２００７ ＮＯ．２９
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｈｅｒａｌｄ
安全芯片加密模块的研究与设计
姜艳杰 胡宝霞 （哈尔滨理工大学计算机学院 黑龙江哈尔滨 １５００８０）
摘 要： 随着计算机和信息技术的飞速发展， 信息的安全性越来越受到人们的重视。本文介绍了安全芯片的基本结构及一种设计方案，
以几上三点作为基础， 在 Ｒ Ｓ Ａ 算法实现 过程中，ＲＳＡ 加密最主要的运算就是模幂，而 模幂又是通过模乘来实现的。
模幂运算的计算量在 ＲＳＡ 加解密运算中 是最大的，因此如何实现和改进模乘运算是实 现模幂运算的关键。这里我们采用大数模乘 算法—— Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙ 算法。
首先，先写出 Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙ 算法的基本步骤： Ｍｏｎ＿１（ｘ， ｙ） （１） ｎ＇＝－ｎ－１ ｍｏｄ ｒ （２） Ｔ＝ｘ ｙ （３） ｍ＝Ｔ ｎ＇ ｍｏｄ ｒ （４） Ｔ＝（Ｔ＋ ｍ ｎ） ｒ－１ ，ｉｆ Ｔ＞＝ｎ， Ｔ＝Ｔ－ｎ （５） ｒｅｔｕｒｎ Ｔ 通过一定的预运算和后运算，可消除因子 项 ｒ，得到真正的模乘积 Ｒ＝ａ·ｂ ｍｏｄ ｎ。 下面我们对其进行优化。 Ｍｏｎ＿２（ｘ， ｙ） （１） ｎ０＇＝（ｂ－ｎ０）－１ ｍｏｄ ｂ； （２） Ａ＝０； （３） Ｔ＝ｘ ｙ； （４） Ｆｏｒ ｉ ＝０ ｔｏ ｌ－１；
信息安全采用的主要方式是对信息进行 加密。信息系统可以从服务器、网络、终 端三个层面［１］上来看，人们往往把过多的注意 力放在对服务器和网络的保护上（较有代表性 的是软件加密），而忽略了对终端的保护，这显 然是不合理的。主要原因有三： 终端往往是 创建和存放重要数据的源头；绝大多数的攻击 事件都是从终端发起的； 数据泄密和蠕虫病毒 感染都由终端脆弱性引起。
１ 安全芯片的内部结构 加密芯片一般由微处理器、存储器以及
与读写器进行通信的输入输出接口组成，如图 １ 所示：
图 １ 硬件安全（加密）芯片简单结构
一旦加密芯片被启动后， 主机 Ｃ Ｐ Ｕ 必须 立刻跳入公共 ＲＡＭ 区去执行由加密卡事先装 入的程序，用户也可把应用程序的关键部分保 留在加密卡内，由卡内的 ＣＰＵ 运行。
并对其中的数据加解密部分（ 主要由 Ｒ Ｓ Ａ 算法实现） 进行设计实现。
关键词： 安全芯片 硬件加密 Ｒ Ｓ Ａ
中图分类号： Ｇ ６ ２ ３ ． ５ ８
文献标识码： Ａ
文章编号：１６７３－０５３４（２００７）１０（ｂ）－００１５－０１
随着社会的信息化发展，目前全国范围内 的许多城市都正在积极筹备或正在实施城市 建设综合管理信息系统的开发工作，信息的安 全性日益受到重视。
机安全，２００５，１０：２－６． ［２］ 王勋，毕笃彦．基于 ＦＰＧＡ 的军用龙芯计算
机硬件加密方法［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅ－ ｅｒｉｎｇ， ２００６，９，３２（１８）：１８１－１８３． ［３］ 曾晓洋，吴敏，韩军，吴永一，林一帆，陈俊， 闵昊，章傅苓．信息安全芯片 ＳｏＣ 平台及 其应用［Ｊ］．信息安全与通信保密，２００５（７）： ３５８－３６０． ［４］ 杨义先，钮心忻编著．应用密码学．２００５：６６． ［５］ 谢朝海．ＲＳＡ密码攻击进展［Ｊ］．技术研究与 应用，２００７，１：４９－５１．
ａ） ｍｉ＝（ａ０＋ｔｉ）ｎ０＇ ｍｏｄ ｂ； ｂ） Ａ＝Ａ＋ ｔｉ ＋ ｔｉ ＋ ｌ ｂｌ ＋ ｍｉ Ｎ； ｃ） Ａ＝Ａ／ｂ； （５） ｉｆ Ａ＞＝Ｎ，Ａ＝Ａ－Ｎ； （６） ｒｅｔｕｒｎ Ａ． 其中：ｎｏ＇ 是 ｎ＇ 的最低字，ｘ、ｙ、ｎ 表示 为 ｂ 进制，Ｔ 以逐步增长方式计算。 经过重写后，与 Ｍｏｎ＿１ 相比，Ｍｏｎ＿２ 有以 下优势： 只需计算 ｎ０＇，大大减少了计算量、存储 空间及 Ｃ Ｐ Ｕ 的读写次数； Ｍｉ 只对本次循环有效，不必保存结果，减 少了存储空间、读写操作及相当数量的乘加 及移位运算； 计算过程中， Ａ 的最大长度为 ｌ ＋ １ 个字， 直接计算的 ２１ 位相比，大大节省了存储空间 以及读写操作； 下一步进行的是硬件语言的具体实现。 模乘的测试部分结果如图 ２ 所示。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
科技咨询导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｈｅｒａｌｄ
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本论文中主要研究数据加密部分——主 要由公钥密码算法 ＲＳＡ 实现。 ２．１ ＲＳＡ 简介［４］
ＲＳＡ 密码是 １９７７ 年由 Ｒｉｖｅｓｔ、Ｓｈａｍｉｒ、 Ａｄｌｅｍａｎ 研究出的一种利用大数因子分解的 困难性而设计的一种公钥密码算法。其基础 是欧拉定理，安全性依赖于大数因子分解的困 难性， 至今没有很好的破解方法。
图 ２ 模乘仿真结果部分图
２ 结语 本文首先介绍了一种安全芯片及其安全
模块的模型，并对其中的公钥算法的实现进行 了论述与实现。对 Ｒ Ｓ Ａ 算法的改进， 并在硬 件实现过程中， 跟据具体情况做了不断的调 整， 使改进后的 Ｒ Ｓ Ａ 的速度及存储得到一定 的改进。
参考文献 ［１］ 王新成．可信计算与系统安全芯片［Ｊ］．计算
这三个方面恰恰说明人们对信息安全问 题仍然存在着一个大盲区。究其根源，都是终 端保护不足所引起的。随之人们又把注意力 转移到另一类加密技术——硬件加密上。
但硬件加密仍然存在一定的不足。来自 硬件的威胁主要有：芯片的克隆、反工程、黑 盒攻击三种［２］。
目前，硬件加密技术主要应用在信息安全 芯片中。其应用领域亦十分广泛［３］。但其技 术仍有待进一步完善。
行硬件的特点有效进行。对于加密卡的模型 有几下几点分析：
首先，对于存取访问敏感数据设备（硬件设 备、网络、板卡……） 应当进行加密的身份 验证。这样可以保证内部数据安全性。
其次， 对于数据的本身， 其存储及访问应 该进行加密。这样， 非法读取数据时得到的 数据具有不可读性，以及密钥错误的不可更改 性， 以达到数据的安全不被读取、更改。
ＲＳＡ 算法的硬件实现可以分成密钥生成、 加密（验证）、解密（签名）三部分。ＲＳＡ 的加解 密运算是大数运算，最基本的运算包括大数加 法、大数减法、大数乘法、大数除法。具体可 参见文献 ４。 ２．２ ＲＳＡ 的硬件实现
对于 Ｒ Ｓ Ａ 算法的实现， 我们应该注意以 下几个方面：密钥长度方面：１０２４ 位；参数方 面：强的素数，大的私钥 ｄ 等。对于 １０２４ 位密 钥，私钥指数 ｄ 应不小于 ３００位长；实现细节方 面： 防止信息泄漏和出错处理。［ ５ ］
２ ＦＰＧＡ 内部加密模块的说明 根据当前的数字信息的安全情况，在必要
的硬件设备或网络设备中添加硬件加密模块是 十分重要的。本模块主要针对一些敏感数据安 全性需要的部门或对硬件设备的安全性进行配 置。模块可以对身份进行验证或对数据进行加 密， 以确保数据不被盗取及非法访问。
本模块的具体设计及实施上，紧密结合现
高 新 技 术
科技咨询导报 ２００７ ＮＯ．２９
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｈｅｒａｌｄ
安全芯片加密模块的研究与设计
姜艳杰 胡宝霞 （哈尔滨理工大学计算机学院 黑龙江哈尔滨 １５００８０）
摘 要： 随着计算机和信息技术的飞速发展， 信息的安全性越来越受到人们的重视。本文介绍了安全芯片的基本结构及一种设计方案，
以几上三点作为基础， 在 Ｒ Ｓ Ａ 算法实现 过程中，ＲＳＡ 加密最主要的运算就是模幂，而 模幂又是通过模乘来实现的。
模幂运算的计算量在 ＲＳＡ 加解密运算中 是最大的，因此如何实现和改进模乘运算是实 现模幂运算的关键。这里我们采用大数模乘 算法—— Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙ 算法。
首先，先写出 Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙ 算法的基本步骤： Ｍｏｎ＿１（ｘ， ｙ） （１） ｎ＇＝－ｎ－１ ｍｏｄ ｒ （２） Ｔ＝ｘ ｙ （３） ｍ＝Ｔ ｎ＇ ｍｏｄ ｒ （４） Ｔ＝（Ｔ＋ ｍ ｎ） ｒ－１ ，ｉｆ Ｔ＞＝ｎ， Ｔ＝Ｔ－ｎ （５） ｒｅｔｕｒｎ Ｔ 通过一定的预运算和后运算，可消除因子 项 ｒ，得到真正的模乘积 Ｒ＝ａ·ｂ ｍｏｄ ｎ。 下面我们对其进行优化。 Ｍｏｎ＿２（ｘ， ｙ） （１） ｎ０＇＝（ｂ－ｎ０）－１ ｍｏｄ ｂ； （２） Ａ＝０； （３） Ｔ＝ｘ ｙ； （４） Ｆｏｒ ｉ ＝０ ｔｏ ｌ－１；
信息安全采用的主要方式是对信息进行 加密。信息系统可以从服务器、网络、终 端三个层面［１］上来看，人们往往把过多的注意 力放在对服务器和网络的保护上（较有代表性 的是软件加密），而忽略了对终端的保护，这显 然是不合理的。主要原因有三： 终端往往是 创建和存放重要数据的源头；绝大多数的攻击 事件都是从终端发起的； 数据泄密和蠕虫病毒 感染都由终端脆弱性引起。
１ 安全芯片的内部结构 加密芯片一般由微处理器、存储器以及
与读写器进行通信的输入输出接口组成，如图 １ 所示：
图 １ 硬件安全（加密）芯片简单结构
一旦加密芯片被启动后， 主机 Ｃ Ｐ Ｕ 必须 立刻跳入公共 ＲＡＭ 区去执行由加密卡事先装 入的程序，用户也可把应用程序的关键部分保 留在加密卡内，由卡内的 ＣＰＵ 运行。
并对其中的数据加解密部分（ 主要由 Ｒ Ｓ Ａ 算法实现） 进行设计实现。
关键词： 安全芯片 硬件加密 Ｒ Ｓ Ａ
中图分类号： Ｇ ６ ２ ３ ． ５ ８
文献标识码： Ａ
文章编号：１６７３－０５３４（２００７）１０（ｂ）－００１５－０１
随着社会的信息化发展，目前全国范围内 的许多城市都正在积极筹备或正在实施城市 建设综合管理信息系统的开发工作，信息的安 全性日益受到重视。
机安全，２００５，１０：２－６． ［２］ 王勋，毕笃彦．基于 ＦＰＧＡ 的军用龙芯计算
机硬件加密方法［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅ－ ｅｒｉｎｇ， ２００６，９，３２（１８）：１８１－１８３． ［３］ 曾晓洋，吴敏，韩军，吴永一，林一帆，陈俊， 闵昊，章傅苓．信息安全芯片 ＳｏＣ 平台及 其应用［Ｊ］．信息安全与通信保密，２００５（７）： ３５８－３６０． ［４］ 杨义先，钮心忻编著．应用密码学．２００５：６６． ［５］ 谢朝海．ＲＳＡ密码攻击进展［Ｊ］．技术研究与 应用，２００７，１：４９－５１．
ａ） ｍｉ＝（ａ０＋ｔｉ）ｎ０＇ ｍｏｄ ｂ； ｂ） Ａ＝Ａ＋ ｔｉ ＋ ｔｉ ＋ ｌ ｂｌ ＋ ｍｉ Ｎ； ｃ） Ａ＝Ａ／ｂ； （５） ｉｆ Ａ＞＝Ｎ，Ａ＝Ａ－Ｎ； （６） ｒｅｔｕｒｎ Ａ． 其中：ｎｏ＇ 是 ｎ＇ 的最低字，ｘ、ｙ、ｎ 表示 为 ｂ 进制，Ｔ 以逐步增长方式计算。 经过重写后，与 Ｍｏｎ＿１ 相比，Ｍｏｎ＿２ 有以 下优势： 只需计算 ｎ０＇，大大减少了计算量、存储 空间及 Ｃ Ｐ Ｕ 的读写次数； Ｍｉ 只对本次循环有效，不必保存结果，减 少了存储空间、读写操作及相当数量的乘加 及移位运算； 计算过程中， Ａ 的最大长度为 ｌ ＋ １ 个字， 直接计算的 ２１ 位相比，大大节省了存储空间 以及读写操作； 下一步进行的是硬件语言的具体实现。 模乘的测试部分结果如图 ２ 所示。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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