[发明专利]Skinny算法优化实现方法、系统、终端、存储介质

说明书

本发明提供了一种基于GPU的Skinny算法优化实现方法，Skinny加密算法的初始化优化，是对测试数据的处理、对明文和密钥的矩阵化优化、对轮密钥的扩展进行优化。Skinny加密算法的轮函数优化，是对字节替换、轮常量加、轮密钥加、行移位、列混淆及其用于解密的逆运算进行优化。对优化后的Skinny加密算法的实现，是对优化后的算法在CPU和GPU上实现。同时提供了一种实施上述方法的系统、终端及存储介质。本发明无论是在CPU上还是GPU上实现，优化后的Skinny加密算法的运算速度为正常速度的4倍以上。对于Skinny加密与解密算法的优化，其应用场景包括但不限于高性能密码计算和网络加密服务请求。

技术领域

本发明涉及网络空间安全技术领域，具体地，涉及一种基于GPU的Skinny 算法优化实现方法、系统、终端、存储介质。

背景技术

分组密码是对称密码学的一个重要分支，它的设计要满足安全性原则和实现 原则。安全性原则即满足混淆原则、扩散原则和抗现有攻击原则；实现原则即保 证密码算法应尽可能使用简单的运算，如模加运算、移位运算和异或运算。为了 满足上述原则，需要构造密码学性质相对弱的迭代函数，并且迭代次数相对较多， 分组密码Skinny是满足该条件的典型分组密码。它的使用非常灵活，可以在6 种不同明文和密钥块大小中自行选择，且在差分/线性攻击方面有强大的安全保 证，在软件和微控制器上实现的效率非常高。

Skinny算法具有良好的特性，所以有必要研究其的快速实现。经过对现有技 术的检索发现，对分组密码在GPU平台上的快速实现研究较少，在这方面研究 较多的是AES加解密速度的优化。Skinny算法作为新推出的轻量级分组密码， 其良好的安全性使得优化其加解密的速度显得尤为重要。在进一步的检索中，尚 未发现与本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于GPU的 Skinny算法快速优化实现方法、系统、终端、存储介质。本发明分别在CPU和 GPU上完成Skinny算法的快速优化实现。在算法层次上对Skinny算法流程进行 优化，使其在可以正确加解密的情况下拥有更快的速度。对于在CPU上的快速 实现，为方便调试，本发明采用C语言对其进行速度测试，因为C语言相对于 其它高级语言具有更快的执行速度。由于GPU擅长于并行计算，本发明在OpenCL平台上研究Skinny算法的快速实现。由于Skinny算法的运算分支少、 主要依赖于计算，所以使用GPU良好的并行计算性能可以很好地提升其加解密 速度。本发明比较于传统的实现方法，实施更加简单、性能更加稳定、实现速度 更加快捷，能有效提高Skinny算法在CPU和GPU平台上加密算法实现的吞吐 量。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种Skinny算法优化实现方法，基于GPU， 包括：

Skinny加密算法的初始化优化，对加密或解密的测试数据、明文和密钥的矩 阵化以及轮密钥的扩展进行优化；

Skinny加密算法的轮函数优化，对字节替换、轮常量加、轮密钥加、行移位、 列混淆及其用于解密的逆运算进行优化；

对经过初始化优化和轮函数优化后的Skinny加密算法分别在CPU和GPU上 实现。

优选地，在Skinny加密算法的初始化优化中：

对加密或解密的测试数据处理进行优化，采用如下方法：

对n＝64bit的情形，将输入字符串中每个字符的ASCLL码拆成2个4bit的单 元参与加密；n＝128bit的情形不用处理。

对明文和密钥的矩阵化进行优化，采用如下方法：

输入的明文和密钥的16个单元不必组成4*4的矩阵IS，直接使用长度为16 个unsigned char大小的一维向量进行操作。