基于ECC的Ad―Hoc协处理器设计

摘 要 本文研究了基于Ad-Hoc的ECC嵌入式协处理器系统。构造了一个通用的模型，其大大增强ad-hoc中网络节点的性能，从而实现基于ECC的Ad-hoc安全网络协议。这里我们采用软硬件协同设计技术，实现处理器和专用硬件模块设计在同一芯片中。该系统在利用Xilinx MicroBlaze进行FPGA实现。

【关键词】ECC Ad-Hoc FPGA

1 引言

ECC在最近几年变得越来越普及，尤其是在嵌入式应用中。因为密钥宽度小、处理速度快、安全性能高，ECC非常适合嵌入式系统。

本文研究实现了一个基于混合系统的协处理器，可以大大提高基于ECC的ad-hoc网络系统的安全性能。网络计算节点通过API访问程序与设备进行通信。在该系统中，所有的密码计算模块嵌入在的混合单元中。这不仅能提高其性能，也能增加其安全性，由于私钥被嵌入到嵌入式单元中而无法访问。协处理器在Xilinx的Spartan 6装置上使用Xilinx开发套件实现。本系统的软件部分实现了一个32位MicroBlaze处理器，硬件部分通过VHDL模块实现。

2 ECC加密体制

ECC的主要操作是点乘kP运算，点乘kP的最直接方法是使用倍点和点加相结合的double-and-add方法。如果ki=0，则仅执行倍点计算；如果ki=1，则执行倍点计算和点加计

算。Double-and-add算法需要（m-1）次倍点运算和m/2次点加运算，而使用非相邻（NAF）编码思想的二进制点乘算法可以将计算点加的平均次数减少至m/3。

基于上述乘法器模块，本文实现的是使用NAF编码的163 bit二进制域上的椭圆曲线点乘算法。

算法：二进制NAF的方法计算点乘。

输入：一个正整数k，P∈GF（q）。

输出：kP。

（1）计算NAF（k）。

（2）Q∞。

（3）对于i从l-1到0，重复执行以下步骤：

1Q2Q。

②若ki=1，则QQ+P。

③若ki=-1，则QQ-P。

（4）返回Q。

3 协处理器的设计

协处理器的软件部分C程序来实现，硬件部分采用VHDL模块实现。系统采用Xilinx的EDK进行开发。MicroBlaze采用哈佛结构，具有独立的数据和指令总线。MicroBlaze程序直接存储在FPGA的内存块，双端口存储器模块用来连接MicroBlaze的指令和数据总线与独立的内存控制器。

3.1点乘器

点乘模块采用有限状态机实现。乘法完成后，结果赋值给A，最后的仿射点R传输回MicroBlaze。为了最大限度地利用并行计算，首先传输标量乘积，这样起始点坐标接收数据的同时NAF也可以进行计算。此外，点加和倍乘模块可并行操作。其关键是相比计算平方，点乘大约两倍的时间。因为点加就是简单的异或操作，所以点加的时间可以忽略不计。

3.2 API接口

API接口可以实现921600波特率的串行通信。每个API函数与FPGA之间有一个唯一的ID。MicroBlaze检查API传输的第一个字节来确定其功能。如果有更多的数据，它读取合并进行处理，然后发送返回所需的结果。

4 性能测试结果

本实验在Xilinx Spartan6 LX45 上进行FPGA仿真。相比纯软件，混合系统的点乘器性能总的执行时间包括FIFO接口模块与MicroBlaze数据传输的时间。软件实现需要平均耗时751.5ms，而混合系统只需要1.05毫秒，两者相差 716倍的速度。硬件资源的使用情况，如表1所示。

5 总结

本文，利用软硬件协同设计思想，采用Xilinx MicroBlaze处理器和专用硬件模块相结合的方法对椭圆曲线密码系统进行FPGA设计。结果表明，基本点乘法运算在混合体系结构的系统比纯软件实现快700倍的速度。同时，设计简单灵活，利用软件来控制硬件模块，为高速计算提供了API接口。

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作者单位

莱芜职业技术学院 山东省莱芜市 271100