[发明专利]一种SM4分组密码算法的加速方法及指令集处理器

权利要求书

1.一种SM4分组密码算法的加速方法，其特征在于，基于SM4扩展指令集，采用并行流水线和指令级并行技术加速实现SM4分组密码算法，所述SM4分组密码算法包括SM4密钥扩展算法和SM4加解密算法；所述SM4扩展指令集采用RISC架构，指令采用定长的32位格式，源操作数和目标操作数均为256位；所述SM4扩展指令集包括SM4轮密钥生成指令和SM4轮函数迭代指令；所述SM4轮密钥生成指令采用多个SM4轮密钥并行生成算法以加速所述SM4密钥扩展算法，所述SM4轮密钥并行生成算法以此前的4个32位的中间密钥K₃～K₀和与后续8个轮密钥相关的8个32位的算法固定参数CK₇～CK₀作为输入，在SM4轮密钥扩展过程中，执行一次就能完成8个轮密钥生成；所述SM4轮函数迭代指令采用多轮SM4迭代并行执行算法以加速所述SM4加解密算法，所述SM4迭代并行执行算法以两组不相关的当前4个中间字W₃～W₀、W’₃～W’₀和后续8轮运算使用的8个轮密钥rk₇～rk₀为输入，在SM4分组密码算法的加密/解密过程中，生成执行SM4加解密轮函数8轮后的两组不相关的4个中间字。

2.根据权利要求1所述的SM4分组密码算法的加速方法，其特征在于，所述采用并行流水线和指令级并行技术加速实现SM4分组密码算法时：

加密时包括以下步骤：

(A)采用通用处理器中的通用指令生成轮密钥迭代初值(K₃,K₂,K₁,K₀)；

(B)以所述轮密钥迭代初值(K₃,K₂,K₁,K₀)和系统固定参数CK₇～CK₀为输入执行第1条SM4轮密钥生成指令，生成SM4分组密码算法的8个轮密钥rk₇～rk₀；

(C)以所述轮密钥rk₇～rk₄和系统固定参数CK₁₅～CK₈为输入执行第2条SM4轮密钥生成指令，生成SM4分组密码算法的8个轮密钥rk₁₅～rk₈；同时以所述轮密钥rk₇～rk₀和两组数据不相关的明文(W₃,W₂,W₁,W₀,W’₃,W’₂,W’₁,W’₀)为输入，执行第1条SM4轮函数迭代指令，完成SM4加密算法1～8次轮函数迭代，得到迭代工作字(W⁽⁷⁾₃,W⁽⁷⁾₂,W⁽⁷⁾₁,W⁽⁷⁾₀,W’⁽⁷⁾₃,W’⁽⁷⁾₂,W’⁽⁷⁾₁,W’⁽⁷⁾₀)；

(D)以所述轮密钥rk₁₅～rk₁₂和系统固定参数CK₂₃～CK₁₆为输入执行第3条SM4轮密钥生成指令，生成SM4分组密码算法的8个轮密钥rk₂₃～rk₁₆；同时以所述轮密钥rk₁₅～rk₈和迭代工作字(W⁽⁷⁾₃,W⁽⁷⁾₂,W⁽⁷⁾₁,W⁽⁷⁾₀,W’⁽⁷⁾₃,W’⁽⁷⁾₂,W’⁽⁷⁾₁,W’⁽⁷⁾₀)为输入，执行第2条SM4轮函数迭代指令，完成SM4加密算法9～16次轮函数迭代，得到迭代工作字(W⁽¹⁵⁾₃,W⁽¹⁵⁾₂,W⁽¹⁵⁾₁,W⁽¹⁵⁾₀,W’⁽¹⁵⁾₃,W’⁽¹⁵⁾₂,W’⁽¹⁵⁾₁,W’⁽¹⁵⁾₀)；

(E)以所述轮密钥rk₂₃～rk₂₀和系统固定参数CK₃₁～CK₂₄为输入执行第4条SM4轮密钥生成指令，生成SM4分组密码算法的8个轮密钥rk₃₁～rk₂₄；同时以所述轮密钥rk₂₃～rk₁₆和迭代工作字(W⁽¹⁵⁾₃,W⁽¹⁵⁾₂,W⁽¹⁵⁾₁,W⁽¹⁵⁾₀,W’⁽¹⁵⁾₃,W’⁽¹⁵⁾₂,W’⁽¹⁵⁾₁,W’⁽¹⁵⁾₀)为输入，执行第3条SM4轮函数迭代指令(VSM4R)，完成SM4加密算法17～24次轮函数迭代，得到迭代工作字(W⁽²³⁾₃,W⁽²³⁾₂,W⁽²³⁾₁,W⁽²³⁾₀,W’⁽²³⁾₃,W’⁽²³⁾₂,W’⁽²³⁾₁,W’⁽²³⁾₀)；

(F)以所述轮密钥rk₃₁～rk₂₄和迭代工作字(W⁽²³⁾₃,W⁽²³⁾₂,W⁽²³⁾₁,W⁽²³⁾₀,W’⁽²³⁾₃,W’⁽²³⁾₂,W’⁽²³⁾₁,W’⁽²³⁾₀)为输入，执行第4条SM4轮函数迭代指令，完成SM4加密算法25～32次轮函数迭代，得到迭代工作字(W⁽³¹⁾₃,W⁽³¹⁾₂,W⁽³¹⁾₁,W⁽³¹⁾₀,W’⁽³¹⁾₃,W’⁽³¹⁾₂,W’⁽³¹⁾₁,W’⁽³¹⁾₀)；

(G)将所述迭代工作字(W⁽³¹⁾₃,W⁽³¹⁾₂,W⁽³¹⁾₁,W⁽³¹⁾₀,W’⁽³¹⁾₃,W’⁽³¹⁾₂,W’⁽³¹⁾₁,W’⁽³¹⁾₀)反序输出，得到加密算法的执行结果密文(Y₃,Y₂,Y₁,Y₀,Y’₃,Y’₂,Y’₁,Y’₀)；解密时包括以下步骤：

(a)采用通用处理器中的通用指令生成轮密钥迭代初值(K₃,K₂,K₁,K₀)；

(b)以所述轮密钥迭代初值(K₃,K₂,K₁,K₀)和系统固定参数CK₃₁～CK₀为源操作数据，依次执行SM4轮密钥生成指令4次，生成SM4分组密码算法的32个轮密钥rk₃₁～rk₀；

(c)以所述轮密钥rk₃₁～rk₀和密文(Y₃,Y₂,Y₁,Y₀,Y’₃,Y’₂,Y’₁,Y’₀)为输入，依次执行SM4轮函数迭代指令4次，完成SM4解密算法的32次轮函数迭代，得到迭代工作字(W⁽³¹⁾₃,W⁽³¹⁾₂,W⁽³¹⁾₁,W⁽³¹⁾₀,W’⁽³¹⁾₃,W’⁽³¹⁾₂,W’⁽³¹⁾₁,W’⁽³¹⁾₀)；

(d)将所述迭代工作字(W⁽³¹⁾₃,W⁽³¹⁾₂,W⁽³¹⁾₁,W⁽³¹⁾₀,W’⁽³¹⁾₃,W’⁽³¹⁾₂,W’⁽³¹⁾₁,W’⁽³¹⁾₀)反序输出，得到解密算法的执行结果明文(W₃,W₂,W₁,W₀,W’₃,W’₂,W’₁,W’₀)。