基于GPU与CPU异构结构的椭圆曲线数字签名方法
技术领域
本发明涉及信息安全中的公钥密码技术，特别涉及一种基于中央处理器(CPU)和图形处 理器(GPU，Graphics Processing Unit)的椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)的实现方法。
背景技术
采用多核并行计算是提升处理器性能的重要方式，因此出现了包括海量并行结构运算单 元的GPU(图形处理器，Graphics Processing Unit)，GPU已经发展成为了并行度高、多线 程、计算快捷及内存带宽大的高性能通用处理器。GPU体系结构在组成上分为三层：第一层 由若千个线程处理器簇(TPC，Thread Preocessing Cluster)组成，第二层由多个流多处理 器(SM，Streaming Multiprocessor)组成，第三层为构成SM的流处理器(SP，Stream Processor)，也可以称为线程处理器。SM作为GPU的一个任务执行和调度单元，主要负责执 行GPU分发的线程指令，而SP是GPU中最基本的指令执行单元，其执行的操作由所属的SM 控制。
2006年NVIDIA公司推出了计算机一体设备结构(CUDA，Compute Unified DeviceArchitecture)可编程平台，可以实现GPU线程的调度。在CUDA可编程平台架构下，GPU执 行的最小单位是线程(thread),数个线程(thread)可以组成一个线程块(block)。一个block中的thread可以存取同一共享内存且同步。执行相同程序的thread，组成栅格(grid)，不同的grid可以执行不同的程序。
相对于中央处理器(CPU)，GPU具有强大的数据处理能力，在浮点运算及并行计算等方 面，提高几十倍甚至数百倍于CPU的性能。GPU具有几千个核，有很高的并行性，但是每个 SM相比CPU处理能力比较弱。GPU计算能力强，但是核数比较少。因此，采用何种CPU和GPU协作方式进行构架，完成各种计算，以提高系统整体计算能力，是一个亟待解决的问题。
椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)明确规定了ECDSA算法的数字签名算法。其中，ECDSA算 法的数字签名算法包括生成算法和验证算法，应用在消息传输过程中可靠性的消息传输及使 用消息的合法者验证。在ECDSA的数字签名算法中，包括一一对应的公钥和私钥，其中，私 钥用于待签名消息生成数字签名，公钥用于对数字签名进行验证。签名者采用私钥进行待签 名消息M的数字签名生成算法计算，得到待签名消息M的数字签名；验证者采用公钥对接收 的待签名消息M进行数字签名验证计算，验证待签名消息M的数字签名是否匹配，如果匹配， 确认接收的待签名消息M是正确的。
椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)是数字签名算法的椭圆曲线版本，其安全性是以椭圆曲 线密码体制的安全性为保证的，而椭圆曲线密码体制的安全性是基于椭圆曲线离散对数问题 之上的。最广泛标准化的基于椭圆曲线的签名方案包括ANSI X9.62、FIPS186-2、IEEE 1363-2000等。
目前ECDSA的计算方式是使用CPU完成全部计算。在实现ECDSA数字签名生成算法时， 是由CPU按照上述步骤顺序计算，最终得到待签名消息m的数字签名。由于CPU计算核心数 量少，而ECDSA的计算过程中计算量比较大，会占用CPU的大部分资源，导致ECDSA计算速度不高，比较费时，得到数字签名效率比较低。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于GPU与CPU异构结构的椭圆曲线数 字签名方法，提高数字签名生成算法(ECDSA)的计算效率。
本发明的原理是：
ECDSA是一种具有标准协议的，国际通用的签名算法。现有方法由CPU按照ECDSA数字 签名生成算法计算步骤顺序执行，其中的多倍点计算复杂性比较高，比较耗时，因此，现有 的使用CPU计算的方法在实现ECDSA数字签名生成算法时计算效率不高，无法满足越来越多 计算需求。但由于针对ECDSA模逆算法并不适合GPU计算，现有技术难以实现针对ECDSA的 GPU加速算法。本发明依托新型的GPU计算平台对该算法进行计算加速，本专利对费马小定 理进行变形,使用该变形方法优化椭圆曲线数字签名的模逆在GPU中的实现步骤，获得GPU端 的性能提升。具体地，本发明通过将一些重要的计算过程移植到GPU平台进行计算，依托于 GPU平台，本发明首次提出了采用CPU和GPU协作方式进行ECDSA数字签名生成算法计算， 将ECDSA数字签名生成算法中的计算椭圆曲线多倍点步骤批量在GPU中进行，充分利用GPU 架构的并行性，然后由CPU根据ECDSA数字签名生成算法计算步骤对待签名消息顺序计算时， 调用GPU计算得到的结果，GPU可以进行并行计算，即同时计算多组数据(CPU只能串行计算， 此差异可以使GPU针对多数据时，获得比CPU快很多的速度)，从而节省了对待签名消息进行 数字签名的计算时间，提升计算速度，提高ECDSA数字签名生成算法的计算效率。
本发明提供的技术方案是：
一种基于GPU与CPU异构结构的椭圆曲线数字签名方法，采用CPU和GPU异构结构(如 图2所示，CPU和GPU各负责一部分数据计算)和协作方式，进行ECDSA数字签名生成算法计算，充分利用GPU架构的并行性，将计算步骤分为两个部分：在GPU中批量进行ECDSA中 椭圆曲线多倍点的计算，再由CPU将待签名消息根据计算步骤顺序进行计算时，使用GPU计 算得到的结果，从而节省了待签名消息进行数字签名的计算时间；使用GPU加速ECDSA计算时，由于GPU架构对程序分支敏感，而运算过程中，会包含大量的分支片段，导致运行效率低下。本发明提出了通过对费马小定理进行变形，使用该变形方法对关键的模逆步骤进行优 化，使得利用GPU加速ECDSA成为可能。
具体地，ECDSA签名算法计算步骤如下，设待签名的消息为m，为了取得消息m的数字 签名(r，s)，作为签名者的用户应实现以下运算步骤：
输入：椭圆曲线算法定义的参数组D＝(q，Fq，a，b，P，n)，其中FQ为素域，其阶为Q；σ、b为 椭圆曲线方程y2＝x3+ax+b的参数且a，b∈Fq，点P为素域中的两个元素组成的椭圆曲线上 的点，P＝(xp，yp)，P∈Fq，是椭圆曲线上的一个固定点，被称为基点，具体值是已知的，P点有素数阶n。以上参数是椭圆曲线密码学中的运算参数，在椭圆曲线密码学中具有确定的含 义；在ECDSA算法中，素域Fq的阶q为算法定义的固定值，ECDSA计算宽度为256比特(bits) 时，n-0xFFFFFFFFFFFFFFFF 00000000FFFFFFFF 0000000000000000FFFFFFFF00000001。 素数阶n为算法定义的固定值，ECDSA计算宽度为256比特(bits)时，n- 0xF3B9CAC2FC632551BCE6FAADA7179E84FFFFFFFFFFFFFFFF FFFFFFFF00000000。
H为一个密码哈希函数(SHA，国际通用哈希算法，可以输出0～512比特(bits)哈希值)， d(0＜d＜n)为私钥，m为待签名消息；以上数据均以计算机可以识别的数据格式进行存储， 以待计算。下述过程中的mod表示数学计算中的求模运算。
输出：签名结果(r，s)，r、s表示经ECDSA签名算法计算输出的两个数值；
本发明方法包括如下步骤：
1)CPU每次等待一定时间(如1毫秒～1秒)，汇总这段时间内收到的签名请求，获得i (1～2048)条待计算数据；
2)CPU将i条待计算数据传送给GPU，通过GPU对多倍点运算进行并行计算；
3)通过GPU并行执行ECDSA算法中的计算椭圆曲线多倍点运算，得到i个椭圆曲线点乘 结果；具体执行操作：对于第j(j∈[1，i])条数据，选择随机数kj∈[0，n-1]；计算(xj，yj)＝kjP； (xi，yj)即为多倍点结果。
4)将GPU计算得到的多个椭圆曲线点乘结果(x1，y1)…(xi，yi)返回给CPU。
5)CPU获得GPU计算得到的结果，继续进行下述计算，最终得到每条数据对应的签名消 息(每个签名消息对应一组(rj，sj)，j∈[1，i])；对每一条数据，执行如下计算步骤：
步骤51)计算rj＝xj mod n，若rj(I，则将对应的原始数据返回到步骤1)；
步骤52)计算ej＝H(mj),此处H()为哈希函数，采用的算法是国际通用哈希算法SHA256；
步骤53)计
步骤54)获得签名(rj，sj)。
GPU进行椭圆曲线多倍点计算时，会将上述椭圆曲线多倍点的计算步骤拆解为4个有限 域运算层基础操作，如图3所示，ECDSA计算可以分解为点乘，点加，倍点三类操作，点乘 可分解为点加和倍点，点加和倍点又可以分解为更低层次的有限域运算，包括：1)模乘；2) 模平方；3)模加；4)模逆。其中，模逆算法的选择不当会导致GPU计算耗时巨大，进而整个系统性能受到冲击。当前常用的求模逆的算法是欧几里得算法，该算法程序分支过多，不利于在GPU上实现。针对模逆算法操作，本发明首次提出了在GPU平台使用费马小定理获得 高效的模逆计算速度。
在CUDA环境下，GPU内执行的程序是以32个线程合为1组来运行的。如果在程序中遇 到分支语句，并且组内的某个或某几个线程与其余线程分支不同，则其余的线程通道被屏蔽， 迫使它们等待分支线程完成其工作，然后才能恢复执行，增加了程序完成的时间。如果所有 线程采用相同的执行路径，则不会受到屏蔽影响。
费马小定理是数论中的一个重要定理，在1636年提出，其内容为：假如z是质数，l是 整数，且l和z互质，那么tz-1≡1 mod z；
由费马小定理推导可得：tz-2≡t-1 mod z，即t-1≡tz-2 mod z
在多倍点计算过程中，有质数p和∫(∫∈[1，p-1])，求∫-1：
输入：质数p，整数∫(f∈[1，p-1])
输出：f-1≡fp-2mod p
注：mod是数学计算中求模的含义，由上式可以得到∫对于质数p的模逆值∫-1，∫-1即为 所求结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
现有技术由CPU按照ECDSA数字签名生成算法计算步骤顺序执行，其中的多倍点计算 复杂性比较高，比较耗时。本发明采用CPU和GPU协作方式进行ECDSA数字签名生成算 法计算，充分利用GPU架构的并行性，通过采用批量计算有效利用GPU计算资源，从而节 省了对待签名消息进行数字签名的计算时间，提高ECDSA数字签名生成算法的计算效率。 具体地，本发明具有包括以下几方面的技术优势：
(一)运算速度快，相对于CPU单独计算有近10倍提升。
(二)解决了GPU实现模逆算法的架构原因导致的运算效率低效问题。
(三)随机数由GPU生成，有效节约CPU计算资源。
(四)批量计算签名，可以最大限度利用GPU的计算资源，提升算效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的ECDS数字签名生成算法实现方法的流程框图。
图2是本发明实施例采用CPU和GPU异构结构实现数字签名生成系统的模块数据流示意 图。
图3是本发明实施例中GPU进行椭圆曲线多倍点计算时，将计算步骤拆解为4个有限域 运算层基础操作计算过程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
图1为本发明实施例提供的一种ECDSA算法中的数字签名生成算法实现方法的流程框图， 其具体步骤为：
步骤101、CPU收集待签名的数据；
步骤102、将ECDSA数字签名生成算法中的计算椭圆曲线点步骤由GPU计算得到；当计 算模逆操作时，使用费马小定理进行计算。
在该步骤中，结果为椭圆曲线多倍点计算结果；
步骤103、CPU根据ECDSA数字签名生成算法计算步骤对待签名消息顺序计算时，调用 GPU返回的多倍点计算结果，完成对待签名消息的数字签名。
在图1中，步骤102由GPU执行。
在图1中，步骤101和步骤103都是由CPU线程完成的，可以是同一CPU线程，也可以是不同的CPU线程。
在图1中，GPU执行ECDSA数字签名生成算法中的计算椭圆曲线多倍点步骤时，可以由 一个GPU线程完成，也可以由多个GPU线程针对不同的数据同时计算完成。
图2所示是上述实施例采用的模块数据流，采用CPU和GPU异构结构和协作方式，CPU 和GPU各负责一部分数据计算。其中，CPU计算单元采用Intel公司的X86指令集通用计算 机；GPU计算单元包括Nvidia公司支持CUDA运算的任意图形显示卡。数据流处理过程如下：
步骤201：由CPU在一定时间内收集多条待签名信息；
步骤202：CPU将每条签名过程中的多倍点计算信息合并发给GPU侧；
步骤203：GPU将每条签名的多倍点计算完成，将结果一同返回给CPU；
步骤204：CPU完成每条签名计算的剩余步骤，将结果返回给签名请求的来源方。
步骤202中，GPU进行椭圆曲线多倍点计算时，将计算步骤拆解为4个有限域运算层基 础操作，如图3所示，ECDSA运算层表示椭圆曲线数字签名算法，算法主要计算步骤是多倍 点操作，即图示中的点乘运算，点乘运算是由点加和倍点运算组成。点加和倍点运算又是由 四类有限域运算构成：模乘，模平方，模加，模逆。这四类有限域运算是构成椭圆曲线数字 签名算法计算的基础运算步骤。
其中，模逆算法的选择不当会导致GPU计算耗时巨大，进而整个系统性能受到冲击。当 前常用的求模逆的算法是欧几里得算法，该算法程序分支过多，不利于在GPU上实现。针对 模逆算法操作，本发明首次提出了在GPU平台使用费马小定理获得高效的模逆计算速度。
具体实现伪代码如下所示：
其中，第1行是变量初始化；第2～7行是一个循环体，根据v每个比特的值进行循环累乘 求模运算；第8行得到最终结果，g的值即是所求的f-1 mod p。对于GPU实现来说，计算模 逆运算最重要方面是所有线程执行相同的指令路径。算法中唯一的条件语句在第3行，vl表 示v的第l比特，它的值取决于素数p，在ECDSA算法中p的值就是椭圆曲线数字签名算法输 入参数组中的q，是固定值。因此素数p在所有线程中都是相同的，所以所有线程计算过程 中的指令执行路径完全相同。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员 可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。 因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的 范围为准。
