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針對物聯網(IoT)的高性能加密芯片

發布時間:2021-01-12 瀏覽:

大多數敏感的Web傳輸都受到公用密鑰加密的保護,這種加密方式可以讓計算機安全地共享信息,而無需首先就私密加密密鑰達成一致。

公鑰加密協議是復雜的,而且在計算機網絡中,它們是由軟件執行的。但這并不適用于物聯網,因為物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體,讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。它主要通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協議,把任何物品與互聯網相連接,進行信息交換和通信,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。這些嵌入式傳感器需要最大限度地延長電池的使用壽命,但卻無法承擔軟件執行加密協議時所需的能源和內存空間。

如今,麻省理工學院(MIT)的研究人員已經成功研制出了一種新型芯片,這種芯片能夠通過硬連線(hardwired)來執行公鑰加密,其耗電量僅為相同協議的軟件執行量的1/400,且只占1/10的內存,但其執行速度卻提高了500倍。研究人員在于近期舉辦的國際固態電路研討會(International Solid-State Circuits Conference)上發表了關于該芯片的詳細論文報告。

像大多數現代公鑰加密系統一樣,研究人員研發的新型芯片使用了一種稱為“橢圓曲線加密”的技術。顧名思義,橢圓曲線加密依賴于一種稱為橢圓曲線的數學函數。在過去,研究人員(包括開發這種新型芯片的麻省理工學院團隊)已經構建出了通過硬連線來處理特定橢圓曲線或曲線族的芯片。而這種新芯片的不同之處在于,它被設計用來處理任何橢圓曲線。

麻省理工學院電子工程與計算機科學研究生,同時也是該論文的第一作者Utsav Banerjee表示,“密碼學家正在研究具有不同屬性的曲線,并使用了不同的素數。關于哪條曲線是安全的以及使用哪條曲線等問題存在很多爭議,而且有多個具備不同標準的政府正在談論不同的曲線?,F在有了這個芯片,我們可以支持所有這些曲線,而且希望將來當新的曲線出現時,我們也能支持它們。”

與Banerjee一起參與論文編輯的還有他的論文導師、麻省理工學院工程學院院長兼范尼瓦爾布什電機工程和計算機科學教授Anantha Chandrakasan; 約翰遜計算機科學工程學教授Arvind;此外還有Andrew Wright 和Chiraag Juvekar,他們都是電子工程和計算機科學的研究生。

為了創建通用的橢圓曲線芯片,研究人員將密碼計算分解為其組成部分。橢圓曲線密碼算法依賴于模數運算,這意味著計算中的數值被賦予一個極限。如果某些計算的結果超過了這個極限,則將其除以該極限,并且只保留剩余部分。該限制的保密性有助于確保加密安全性。

MIT芯片專用電路的計算之一就是模乘運算。但是,由于橢圓曲線密碼處理的是大數,所以該芯片的模乘運算量非常大。通常情況下,一個模數乘法器可能能夠處理16或32位二進制數字或位的數字。對于較大的計算,離散的16位或32位乘法的結果將被附加的邏輯電路集成。

但是,麻省理工學院研發的新型芯片的模數乘法器卻可以處理256位數字。消除集成較小計算的額外電路既降低了芯片的能耗,又提高了芯片的速度。

橢圓曲線密碼算法中另一個關鍵的操作稱為逆運算。逆運算是指當乘以一個給定的數后,會產生一個模乘積1。在以往專用于橢圓曲線密碼算法的芯片中,逆運算是由與模數乘法相同的電路執行的,從而節省了芯片空間。但是,麻省理工學院的研究人員卻在他們的芯片上配備了專用的逆變電路。這使得芯片的表面積增加了10%,但它也將功耗降低了一半。

使用橢圓曲線密碼算法最常見的加密協議被稱為數據報傳輸層安全協議,它不僅控制橢圓曲線計算本身,而且控制加密數據的格式化、傳輸以及處理過程。事實上,整個協議都被硬連接到麻省理工學院研究人員研發的芯片上,這大大減少了執行該協議所需的內存量。

除此之外,該芯片還具有一個通用處理器,可以與專用電路結合使用,以執行其他基于橢圓曲線的安全協議。但它可以在不使用的時候關閉電源,所以不會影響芯片的能效。

 

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