專利名稱：一種提高鍵入-散列法運(yùn)算速度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，特別是指一種提高鍵入-散列法運(yùn)算速度的方法。
背景技術(shù)：
隨著數(shù)據(jù)通信的日益普及，數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)加密日益重要，眾多的安全協(xié)議和加密標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)運(yùn)而生。一種基于散列函數(shù)的鍵入-散列法(HMAC)，不但可以對(duì)信息的來(lái)源進(jìn)行身份確認(rèn)而且可以防止信息的非法改寫、偽造。在此，所關(guān)注的是一種嵌入信息-摘要散列函數(shù)(MD5)的鍵入-散列法，即與信息-摘要算法相關(guān)聯(lián)的鍵入散列法(HMAC-MD5)。HMAC-MD5是用于網(wǎng)絡(luò)安全的對(duì)信息進(jìn)行加密的一種方法，它對(duì)于任意長(zhǎng)度的信息，通過(guò)其不可逆的字符串變換算法進(jìn)行處理，得到幾乎唯一的固定長(zhǎng)度的摘要值(不同信息產(chǎn)生同一結(jié)果的可能小到可以忽略不計(jì))，其目的是確保數(shù)據(jù)的來(lái)源是可信的而且在傳輸過(guò)程中沒(méi)有被修改過(guò)。
圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)的HMAC-MD5算法的流程示意圖。其中，圖中的b等于512，n等于128，K是輸入的密鑰。在密鑰K的左邊添加0來(lái)創(chuàng)建一個(gè)字長(zhǎng)為512bits字節(jié)串K+。例如，如果K的長(zhǎng)度是160，而b＝512，則K左邊會(huì)加入44個(gè)零字節(jié)0x00。該算法的具體處理過(guò)程可分為以下兩大步驟首先，將K+與一固定的字符串ipad做異或運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)b bits的分組Si，并將待加密的報(bào)文M填充至Si后，使用MD5算法計(jì)算填充后的數(shù)據(jù)流，并輸出結(jié)果，作為下一步計(jì)算的報(bào)文信息。
其次，將K+與一固定的字符串opad(與ipad不相同的固定字符串)做異或運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)b bits的分組So，并將前一步的計(jì)算結(jié)果填充至So后，再次使用MD5算法計(jì)算填充后的數(shù)據(jù)流，并輸出最終結(jié)果。
對(duì)于一個(gè)報(bào)文而言，HMAC的執(zhí)行時(shí)間近似等于嵌入散列函數(shù)的計(jì)算時(shí)間，以及應(yīng)用該散列函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算所需的時(shí)間，即得到分組Si、分組So、以及MD5算法計(jì)算填充后的數(shù)據(jù)流所占用的時(shí)間。
圖2所示為現(xiàn)有技術(shù)MD5算法結(jié)構(gòu)示意圖。在該算法中，首先把待加密的報(bào)文信息的位流填充成512的整數(shù)倍，然后將已填充好報(bào)文信息分成若干個(gè)512位塊即K0～Klast，每512位塊作為一個(gè)輸出；每個(gè)運(yùn)算單元即Hmd5方框有兩個(gè)輸入一是已經(jīng)過(guò)填充的512位塊的報(bào)文信息，另一個(gè)是運(yùn)算初始值，即上一個(gè)運(yùn)算單元經(jīng)過(guò)64輪操作后所得到的128位結(jié)果CV(第一個(gè)運(yùn)算單元的初始值是給定的)，這樣直到最后一個(gè)位塊運(yùn)算完畢后就得到MD5算法最后輸出的128位摘要值。圖中的A，B，C，D是存放運(yùn)算中間結(jié)果的4個(gè)32位寄存器。
其中，上面所述的64輪操作可分為四個(gè)階段中，每個(gè)階段為16輪操作，每個(gè)階段的運(yùn)算函數(shù)和具體操作很相似，在此只舉其中之一加以說(shuō)明。
該算法模塊第二個(gè)階段的組合路徑公式如下所示A＝B+((A+g(B，C，D)+X+T)＜＜＜S)其中，A，B，C，D，X，T均為32位的整數(shù)，A，B，C，D就是前面所述的存放運(yùn)算中間結(jié)果的4個(gè)32位寄存器中的值，g(B，C，D)是B，C，D的一個(gè)非線性函數(shù)，X是輸入報(bào)文信息字，T是MD5算法規(guī)定的常數(shù)字，S是循環(huán)左移命令字，該命令字是一個(gè)0到31之間的整數(shù)，“＜＜＜”表示循環(huán)左移操作，“＜＜＜S”表示對(duì)前面的操作數(shù)進(jìn)行S位的循環(huán)左移?！?”表示32位模加操作。
在該階段的每輪操作之后，ABCD四個(gè)寄存器之間都要進(jìn)行循環(huán)賦值，即將A中的值賦予B，將B中的值賦予C，將C中的值賦予D，將D中的值賦予A，即B＝A，C＝B，D＝C，A＝D。
由此可看出，對(duì)于X和T的值，每輪操作時(shí)的變化是規(guī)律的，是可以預(yù)見(jiàn)的，寄存器B中的值在每輪運(yùn)算后將被刷新，而寄存器A中的取值實(shí)際上是上一輪中寄存器D中的值(第一輪中是給定的)。
圖3所示為現(xiàn)有技術(shù)的MD5算法中第二個(gè)階段的組合路徑公式中的5個(gè)加數(shù)的邏輯硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。針對(duì)上述公式，此結(jié)構(gòu)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，一共存在4次32位模加操作，有三級(jí)加法器的延遲，而且循環(huán)左移的存在導(dǎo)致最后一級(jí)加法器必須等待中間結(jié)果的高位結(jié)果出來(lái)后才可以開始運(yùn)算。這樣，在應(yīng)用硬件實(shí)現(xiàn)該算法時(shí)，由于組合邏輯延時(shí)的增加，將導(dǎo)致每一時(shí)鐘周期變長(zhǎng)，因而其頻率會(huì)相對(duì)較低。
從上述過(guò)程可以看出，運(yùn)用HMAC-MD5算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，需要大量的運(yùn)算，而后一步的計(jì)算要使用前一步的計(jì)算結(jié)果，這就使得后面的計(jì)算要一直等待前一步計(jì)算完畢之后才能進(jìn)行。這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)在數(shù)據(jù)加密鑒權(quán)的需求，尤其對(duì)于短報(bào)文(報(bào)文長(zhǎng)度在64字節(jié)左右)，用上述方法進(jìn)行處理，其效率更是成倍下降。
另外，在應(yīng)用硬件的方式進(jìn)行MD5計(jì)算時(shí)，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)又存在多級(jí)加法延遲，因而時(shí)鐘的頻率相對(duì)較低，整個(gè)硬件系統(tǒng)的效率也會(huì)隨之下降。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種提高鍵入-散列法運(yùn)算速度的方法，在原來(lái)計(jì)算一個(gè)報(bào)文的時(shí)間內(nèi)，可同時(shí)對(duì)兩個(gè)不同的報(bào)文進(jìn)行處理，且不相互影響，從而大大提高運(yùn)算速度。
為達(dá)到上述目的本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種提高鍵入-散列法運(yùn)算速度的方法，將信息-摘要算法(MD5)嵌入所述鍵入-散列法(HMAC)以形成與信息摘要算法相關(guān)聯(lián)的鍵入散列法(HMAC-MD5)，該方法包括以下步驟a、在先進(jìn)先出緩沖區(qū)中設(shè)置不同的隊(duì)列分別存放待加密的報(bào)文、HMAC-MD5算法的第一初始值以及第二初始值；
b、從存放待加密報(bào)文和該算法第一初始值的緩沖區(qū)隊(duì)列中，取得所需數(shù)據(jù)，運(yùn)用MD5算法進(jìn)行計(jì)算，將所得結(jié)果存入先進(jìn)先出緩沖區(qū)中存放中間結(jié)果的隊(duì)列中；從存放中間結(jié)果和該算法第二初始值的緩沖區(qū)隊(duì)列中，取得所需數(shù)據(jù)，再次運(yùn)用MD5算法進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果存入先進(jìn)先出緩沖區(qū)中存放最終結(jié)果的隊(duì)列中。
較佳地，該方法進(jìn)一步包括經(jīng)判斷存放中間結(jié)果和該算法第二初始值的緩沖區(qū)隊(duì)列中都存在數(shù)據(jù)時(shí)，步驟b才開始再次運(yùn)用MD5算法進(jìn)行計(jì)算。
較佳地，MD5算法中的組合路徑公式為A＝B+((A+g(B，C，D)+X+T)＜＜＜S)，其中，A、B、C、D分別對(duì)應(yīng)存放運(yùn)算中間結(jié)果寄存器A、B、C、D中的值，g(B，C，D)為非線性函數(shù)，X為輸入報(bào)文信息字，T為MD5算法規(guī)定的常數(shù)字，S為循環(huán)左移的位數(shù)，計(jì)算該公式加數(shù)的和時(shí)包括以下步驟b1、計(jì)算輸入報(bào)文信息字X、MD5算法規(guī)定的常數(shù)字T以及寄存器A中的值三者的和；b2、將步驟b1的結(jié)果存入一臨時(shí)寄存器中，在下一時(shí)鐘周期內(nèi)，再將臨時(shí)寄存器中的值與非線性函數(shù)g(B，C，D)進(jìn)行模加，之后將該結(jié)果循環(huán)左移預(yù)先設(shè)定的位數(shù)S；b3、將移位后的結(jié)果與寄存器B中的值進(jìn)行模加，輸出該計(jì)算結(jié)果并保存在寄存器A中；b4、對(duì)寄存器A、B、C以及D進(jìn)行循環(huán)賦值。
較佳地，在進(jìn)行第一輪計(jì)算時(shí)，所述存放運(yùn)算中間結(jié)果的寄存器A、B、C和D的值都是預(yù)先給定的。
較佳地，在進(jìn)行非第一輪的計(jì)算時(shí)，步驟b1所述寄存器A的值為上一輪計(jì)算完畢后寄存器D中的值。
較佳地，步驟b所述MD5算法是由信息-摘要算法引擎來(lái)完成。
應(yīng)用本發(fā)明，使用二級(jí)流水結(jié)構(gòu)處理HMAC-MD5算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)不同報(bào)文的同時(shí)處理，而相互之間不產(chǎn)生干擾或影響等問(wèn)題，從而提高了對(duì)報(bào)文總流量的處理能力。尤其應(yīng)用此結(jié)構(gòu)對(duì)短報(bào)文進(jìn)行處理時(shí)，其效果更加顯著。另外，由于改變了MD5算法中組合路徑公式的硬件邏輯運(yùn)算順序，使得其原來(lái)在同一時(shí)鐘周期內(nèi)的多級(jí)加法延遲分解到多個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，因而提高了時(shí)鐘的頻率，從整體上提高了運(yùn)算速度。本發(fā)明利用現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列器(FPGAField Programmable Gate Array)實(shí)現(xiàn)該算法，使得加密處理的速度有了明顯提高，尤其在處理大流量的數(shù)據(jù)流時(shí)，具有現(xiàn)有技術(shù)所不可比擬的優(yōu)越性。同時(shí)，本發(fā)明為高要求的安全設(shè)備提供了一個(gè)良好的備選模塊。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的HMAC-MD5算法的流程示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)的MD5算法結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)的MD5算法中第二個(gè)階段的組合路徑公式中的5個(gè)加數(shù)的邏輯硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖；圖4為應(yīng)用本發(fā)明的HMAC-MD5算法邏輯硬件實(shí)現(xiàn)示意圖；圖5為應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)提前預(yù)算的MD5算法中第二個(gè)階段的組合路徑公式中的5個(gè)加數(shù)的邏輯硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
本實(shí)施例是利用現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列器(FPGAField Programmable GateArray)實(shí)現(xiàn)該算法。
圖4所示為應(yīng)用本發(fā)明的HMAC-MD5算法邏輯硬件實(shí)現(xiàn)示意圖。在本實(shí)施例中，HMAC-MD5的邏輯硬件由兩個(gè)相同的MD5算法引擎，及先進(jìn)先出(FIFO)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)構(gòu)成。
在此結(jié)構(gòu)中，將待處理的報(bào)文保存在FIFO緩沖區(qū)的MD5Q隊(duì)列中，將第一初始值，即根據(jù)密鑰K以及b所規(guī)定的字節(jié)數(shù)計(jì)算出K+的結(jié)果后，將該結(jié)果K+與固定的字符串ipad做異或運(yùn)算后的512位值，經(jīng)MD5運(yùn)算后得到的128位值，存放在緩沖區(qū)的IV1Q隊(duì)列中，將第二初始值，即根據(jù)密鑰K以及b所規(guī)定的字節(jié)數(shù)計(jì)算出K+的結(jié)果后，將該結(jié)果K+與固定的字符串opad做異或運(yùn)算后的512位值，經(jīng)MD5運(yùn)算后得到的128位值，存放在緩沖區(qū)的IV2Q隊(duì)列中。
MD5算法引擎1完成HMAC-MD5算法的第一大步驟的運(yùn)算，即在該算法引擎中控制機(jī)的控制下，將隊(duì)列IV1Q中的初始值加載到MD5算法引擎1的運(yùn)算單元中，并從MD5Q隊(duì)列中讀入待加密報(bào)文，經(jīng)過(guò)填充及數(shù)據(jù)排序后，按照每個(gè)輸出的數(shù)據(jù)塊為512位的原則，將已填充好的數(shù)據(jù)塊逐塊送入MD5算法的運(yùn)算單元中，進(jìn)行運(yùn)算，直到所有的數(shù)據(jù)塊全部運(yùn)算完畢之后，再把該結(jié)果輸出到FIFO緩沖區(qū)的MD501Q隊(duì)列中，作為下一個(gè)MD5算法引擎的報(bào)文信息。
經(jīng)檢測(cè)MD501Q隊(duì)列和IV2Q隊(duì)列中都存在數(shù)據(jù)時(shí)，MD5算法引擎2就開始進(jìn)行HMAC-MD5算法的第二大步驟運(yùn)算。同樣地，在該算法引擎中控制機(jī)的控制下，將隊(duì)列IV2Q中的初始值加載到MD5算法引擎2的運(yùn)算單元中，并從MD501Q隊(duì)列中讀入上一步所得結(jié)果，經(jīng)過(guò)填充及數(shù)據(jù)排序后，按照每個(gè)輸出的數(shù)據(jù)塊為512位的原則，將已填充好的數(shù)據(jù)塊逐塊送入MD5算法的運(yùn)算單元中，進(jìn)行運(yùn)算，直到所有的數(shù)據(jù)塊全部運(yùn)算完畢之后，把該結(jié)果作為HMAC-MD5算法的最終數(shù)據(jù)送到FIFO緩沖區(qū)的MD502Q隊(duì)列中。
這種流水結(jié)構(gòu)的前后兩級(jí)MD5算法引擎是相對(duì)獨(dú)立的，相互之間沒(méi)有穿插處理數(shù)據(jù)的問(wèn)題，因此，不同報(bào)文信息可以在兩個(gè)引擎中同時(shí)進(jìn)行處理。尤其是對(duì)于短報(bào)文而言，這種雙引擎結(jié)構(gòu)的處理能力是單引擎結(jié)構(gòu)處理能力的2倍以上。
在上述實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)MD5算法中的組合路徑公式的邏輯運(yùn)算結(jié)構(gòu)再做一些改進(jìn)，其具體操作如下。
圖5所示為應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)提前預(yù)算的MD5算法中第二個(gè)階段的組合路徑公式中的5個(gè)加數(shù)的邏輯硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。由于組合路徑公式中，X和T的值在同一階段每輪操作中的變化是規(guī)律的，是可以預(yù)知的，而在每輪操作后，寄存器ABCD間都要循環(huán)賦值，因此寄存器A中的值除第一輪操作中是預(yù)先給定的，在剩下的15輪計(jì)算操作中，實(shí)際為寄存器D中的值，換言之，寄存器A中的值在每輪操作之前也是可知的。
充分利用上述特點(diǎn)，在此結(jié)構(gòu)中增加一寄存器TEMP，使X、T與寄存器D中的任兩個(gè)先進(jìn)行模加，再與第三個(gè)進(jìn)行模加運(yùn)算，并將該提前預(yù)算的結(jié)果保存在寄存器TEMP中，在下一時(shí)鐘周期內(nèi)，再將寄存器TEMP中的值與g(B，C，D)進(jìn)行模加，之后進(jìn)行循環(huán)左移S位，最后將移位后的結(jié)果與寄存器B中的值進(jìn)行模加，輸出該計(jì)算結(jié)果并保存在寄存器A中。最后進(jìn)行循環(huán)賦值，將A中的值賦予B，將B中的值賦予C，將C中的值賦予D，將D中的值賦予A，即B＝A，C＝B，D＝C，A＝D。
這樣，由于將X、T與寄存器D的模加運(yùn)算提前一時(shí)鐘周期進(jìn)行，使每個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)都只有兩級(jí)加法運(yùn)算，相當(dāng)于把原來(lái)一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的多級(jí)加法運(yùn)算分到兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，從而使時(shí)鐘的頻率提高，進(jìn)而大大的提高了整體的運(yùn)算速度。
該算法中的其它幾個(gè)相似的組合路徑公式也應(yīng)用此結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高鍵入-散列法運(yùn)算速度的方法，將信息-摘要算法(MD5)嵌入所述鍵入-散列法(HMAC)以形成與信息摘要算法相關(guān)聯(lián)的鍵入散列法(HMAC-MD5)，其特征在于，該方法包括以下步驟a、在先進(jìn)先出緩沖區(qū)中設(shè)置不同的隊(duì)列分別存放待加密的報(bào)文、HMAC-MD5算法的第一初始值以及第二初始值；b、從存放待加密報(bào)文和該算法第一初始值的緩沖區(qū)隊(duì)列中，取得所需數(shù)據(jù)，運(yùn)用MD5算法進(jìn)行計(jì)算，將所得結(jié)果存入先進(jìn)先出緩沖區(qū)中存放中間結(jié)果的隊(duì)列中；從存放中間結(jié)果和該算法第二初始值的緩沖區(qū)隊(duì)列中，取得所需數(shù)據(jù)，再次運(yùn)用MD5算法進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果存入先進(jìn)先出緩沖區(qū)中存放最終結(jié)果的隊(duì)列中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括經(jīng)判斷存放中間結(jié)果和該算法第二初始值的緩沖區(qū)隊(duì)列中都存在數(shù)據(jù)時(shí)，步驟b才開始再次運(yùn)用MD5算法進(jìn)行計(jì)算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，MD5算法中的組合路徑公式為A＝B+((A+g(B，C，D)+X+T)＜＜＜S)，其中，A、B、C、D分別對(duì)應(yīng)存放運(yùn)算中間結(jié)果寄存器A、B、C、D中的值，g(B，C，D)為非線性函數(shù)，X為輸入報(bào)文信息字，T為MD5算法規(guī)定的常數(shù)字，S為循環(huán)左移的位數(shù)，計(jì)算該公式加數(shù)的和時(shí)包括以下步驟b1、計(jì)算輸入報(bào)文信息字X、MD5算法規(guī)定的常數(shù)字T以及寄存器A中的值三者的和；b2、將步驟b1的結(jié)果存入一臨時(shí)寄存器中，在下一時(shí)鐘周期內(nèi)，再將臨時(shí)寄存器中的值與非線性函數(shù)g(B，C，D)進(jìn)行模加，之后將該結(jié)果循環(huán)左移預(yù)先設(shè)定的位數(shù)S；b3、將移位后的結(jié)果與寄存器B中的值進(jìn)行模加，輸出該計(jì)算結(jié)果并保存在寄存器A中；b4、對(duì)寄存器A、B、C以及D進(jìn)行循環(huán)賦值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行第一輪計(jì)算時(shí)，所述存放運(yùn)算中間結(jié)果的寄存器A、B、C和D的值都是預(yù)先給定的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行非第一輪的計(jì)算時(shí)，步驟b1所述寄存器A的值為上一輪計(jì)算完畢后寄存器D中的值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，步驟b所述MD5算法是由信息-摘要算法引擎來(lái)完成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種提高鍵入－散列法運(yùn)算速度的方法，將MD5算法嵌入所述HMAC以形成與信息摘要算法相關(guān)聯(lián)的鍵入散列法(HMAC－MD5)，該方法包括以下步驟a、在先進(jìn)先出緩沖區(qū)中設(shè)置不同的隊(duì)列分別存放待加密的報(bào)文、HMAC－MD5算法的第一初始值以及第二初始值；b、從存放待加密報(bào)文和該算法第一初始值的緩沖區(qū)隊(duì)列中，取得所需數(shù)據(jù)，運(yùn)用MD5算法進(jìn)行計(jì)算，將所得結(jié)果存入先進(jìn)先出緩沖區(qū)中存放中間結(jié)果的隊(duì)列中；從存放中間結(jié)果和該算法第二初始值的緩沖區(qū)隊(duì)列中，取得所需數(shù)據(jù)，再次運(yùn)用MD5算法進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果存入先進(jìn)先出緩沖區(qū)中存放最終結(jié)果的隊(duì)列中。應(yīng)用本發(fā)明，進(jìn)行加密處理的速度有了明顯提高，尤其對(duì)于短報(bào)文，其效果更加顯著。
文檔編號(hào)H04L9/28GK1521982SQ0310244
公開日2004年8月18日 申請(qǐng)日期2003年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月28日
發(fā)明者孫浩, 張耀文, 葉錦華, 姚慧勇, 毛文俠, 孫 浩 申請(qǐng)人:華為技術(shù)有限公司