[发明专利]一种基于OpenCL的AES并行化实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及密码算法的技术领域，特别涉及基于OpenCL的AMD GPU上的AES的快速实现方法。

背景技术

GPU原本是专门为处理图形图像数据而设计的，因而它具有高度并行的结构。现今，经过十多年的发展，GPU的并行运算能力已经远远超越了CPU，利用GPU对各种计算进行并行加速也成为了当今的研究热点。而在信息安全方面，GPU的一项重要应用，就是通过并行化来实现快速加解密。

事实上，现在实现加解密并行化有CPU、GPU、FPGA和OPENCL四种并行实现机制，它们也各有优劣。CPU单个核心的性能虽然比GPU的要高，但是不具备高度的并行化结构，并行能力不如GPU，而且受到结构限制，并行规模扩充比FPGA难；FPGA的并行规模扩充虽然比CPU和GPU都容易，然而硬件一旦升级换代，就需要改动大量的代码，不利于开发与维护；GPU则同样受到结构限制，并行规模扩充比FPGA难，单个核心的运算能力也不及CPU，显存与主机内存之间的数据交换会造成大量的延时，这种I/O的耗费成了GPU并行性能主要的瓶颈；OpenCL则是专为异构平台设计的，能够综合利用CPU、GPU及其他类型的处理器来提供并行计算，因而也日渐受到青睐。

OpenCL全称Open Computing Language（开放计算语言），是由Khronos Group维护的为异构平台提供编写程序（尤其是并行程序）的开放的框架标准。OpenCL由编写内核程序的语言和定义并控制平台的API两部分组成，可以在多核CPU或者GPU上编译运行。通过使用OpenCL，软件开发人员便能够高效利用各种异构处理平台，从高性能计算服务器，到家用计算机再到手持设备，都被OpenCL所支持，并且在OpenCL帮助下，能够组合工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于OpenCL的AES并行化实现方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于OpenCL的AES并行化实现方法，包括下述步骤：

S1、确定明/密文及轮密钥分组的数量，准备好明/密文及轮密钥数据的数据；

S2、确定AES的执行模式，为编写内核函数做准备；

S3、编写内核函数；

S4、编写OpenCL程序主文件，为OpenCL程序的执行做准备；

S5、设置程序运行参数，分配内存空间，运行程序；

S6、获取加解密结果，释放资源。

优选的，步骤S1中，轮密钥的数据在主机端预先生成好。

优选的，步骤S2中，根据AES的设计，将每一轮的不同操作转化为仅用T表和异或来实现；其具体实现方式是：

假设a为一轮的输入，长度为128比特，此处看成是4×4字节的矩阵，按照32比特划分为4份，即a0，a1，a2，a3，1份相当于原有矩阵中的1行，如a_0,j代表原有矩阵中的第一行第j列的元素，d为一轮的输出，那么，d可以表示为：

d_j=T₀[a_0,j]⊕T₁[a_1,j+1]⊕T₂[a_2,j+2]⊕T₃[a_3,j+3]⊕k_j；

其中T0,T1,T2,T3为4个T表，kj为第j列要与之异或的子轮密钥；经过上述处理后，原本需要经过字节替换、行移位、列混合以及轮密钥加四个操作才能获取的一轮的输出，现在就转化为仅依靠查表和异或就能获取到；在完成上述操作前需要预先准备好T表并将其写在内核文件中；

T表的类型可设为4字节的静态无符号整型私有值、4字节的无符号整型常量或静态无符号整型常量类型，需要注意，T表应写在内核函数之外，因为内核函数之内不允许使用静态类型，而且将T表写在内核函数中会导致程序运行时性能的下降。

优选的，步骤S2中，AES的执行模式选用电子密码本ECB模式、计时器CTR模式以及输出反馈OFB模式三种执行模式中的一种。

优选的，步骤S3中，编写内核参数的具体方法为：