多引擎并行CBC模式的SM4算法的芯片級實現

樊凌雁 周 盟 駱建軍 劉海鑾

1(杭州電子科技大學微電子研究中心 杭州 310018) 2 (杭州華瀾微電子股份有限公司 杭州 311215) (fanlingyan@hdu.edu.cn)

Fig. 1 Architecture of SATA solid state disk圖1 SATA固態硬盤架構

NAND技術和固態存儲控制技術的飛速發展，引爆了硬盤存儲的產業革命.新一代固態硬盤存儲技術憑借啟動快、壽命長、讀寫快、無噪音、體積小、重量輕、抗震動、耗能低等絕對優勢，在互聯網、計算機、航天、醫療、交通、工業控制等各個領域得到了廣泛應用[1].數據信息的爆炸式增長對于信息的海量數據的高速、安全存儲提出了更高的要求.英國《金融時報》網站2015年2月17日報道，總部駐莫斯科的網絡安全公司卡巴斯基實驗室表示，該公司已在30個國家所用的電腦中發現了多種設計精密的黑客木馬，存儲在電腦的信息存在被偷竊的可能.

SM4算法是中國首個官方發布的分組對稱密碼算法，它在2012年3月被國家密碼管理局批準為行業標準[2]，近些年涌現出很多研究成果[3-6].因此，將具有自主知識產權的密碼學理論成果與自主研發的固態存儲技術相結合，研發性能高、安全性高的集成電路芯片，對中國的信息安全有極其重大的意義.

SM4算法常見的加密模式有加密塊鏈模式(cipher block chaining, CBC)、電子密碼本模式(electronic codebook, ECB)等[7]，其中CBC模式由于存在從輸出端到輸入端的反饋路徑，從而擁有更高的安全性[8]，是當前固態硬盤采用最多的分組加密方式.但是，因為CBC模式的反饋路徑，使得數據之間有了關聯性，導致無法使用流水線技術[9]來提高電路的吞吐率.此外，另一種常用的提高吞吐率的方法是輪函數合并技術，該方法是在1個周期內，同時進行n(n是32的因子)個輪函數運算.這種處理方式在時鐘主頻不限制時，在同一工藝條件下，以2倍的面積獲得10%的性能提升，其提升效果不是那么明顯，如表1所示：

Table 1 Comparison of SM4 Wheel Functions Combination表1 SM4輪函數合并性能對比

本文采用乒乓(PING-PONG)技術，提出了一種多引擎同步工作的方式，通過增強加解密引擎的并行性，從而提高SM4算法CBC模式在65 nm工藝下的吞吐率，滿足SATAⅢ接口的速率要求.

1 SM4多引擎加解密方案

本文設計的SM4加解密引擎不僅支持CBC模式，并且運行帶寬不影響SATAⅢ固態硬盤的性能，也就是在加解密的情況下保證了足夠的帶寬.

1.1 SATA固態硬盤架構

按照自頂而下的設計方法，本文的固態硬盤架構設計如圖1所示，將SATA固態硬盤劃分為多個子模塊，分別為：1)SATA PHY模塊；2)SATA Core模塊；3)DRAM控制器模塊；4)Flash控制器模塊；5)多引擎加解密安全模塊；6)CPU模塊，包含系統CPU模塊和FTL(flash translation layer)算法CPU模塊.

夫妻離婚爭孩子，老婆理直氣壯說：“孩子從我肚子里出來的，當然歸我！”老公說：“笑話！簡直是胡說八道！取款機里取出來的錢能歸取款機嗎？還不是誰插卡歸誰！”

多引擎加解安全密模塊置于SATA Core模塊和DRAM控制器模塊之間，其中SATA Core模塊包含鏈路層、傳輸層、應用層.其中，鏈路層負責鏈路狀態管理，數據包的發送和接收，完成8 B10 B編解碼、加擾解擾、封包解包、CRC校驗，負責接口電源管理；傳輸層負責幀信息結構(frame information structure, FIS)打包和解包，完成如直接內存存取(direct memory access, DMA)傳輸、程序輸入輸出模型(programming inputoutput model, PIO)傳輸、原生命令隊列(native command queuing, NCQ)傳輸等數據命令交互功能，對數據傳輸進行流量控制；應用層主要負責應用處理，譬如AHCI協議的支持、ATA命令處理.

2.2.1 密鑰擴展仿真

而DRAM控制器模塊主要分為DRAM PHY和DRAM Core.DRAM PHY主要負責和DRAM芯片的接口通信；DRAM Core主要是完成DDR協議處理和多數據存取通道的仲裁管理，比較常見的接口為AXI接口.

綜上所述，如果某種行為入罪符合刑罰以及國家經濟管理之目的，且將其入罪不會讓社會一般人認為行為人之人權因此受到侵犯，便可以推定該種行為有入罪的必要，其社會危害性達到了入罪的程度和標準，反之，則不能將其作犯罪化處理。以此為基準，保持經濟犯罪圈入罪與出罪的雙向動態化，尤其要注意將不具有嚴重社會危害性的行為及時出罪以保障人權，促進經濟發展。

1.2 多引擎加解密安全模塊設計

多引擎加解密安全模塊置于SATA端和DRAM端之間，它主要由輸入輸出接口、4個SM4加解密引擎、輸入輸出緩存模塊組成.

在運用慕課教學手段開展小學語文教學的過程中，教師首先需要開展的工作就是對整體的教學大綱和教學任務進行分析以及掌握，以此為依據將教學內容進行細化，按照不同的類型、難度劃分模塊，實施模塊教學。其次，當教師已經整理好教學內容，便可以按照知識脈絡設計知識圖譜，形成知識結構，并通過不斷地完善形成具有系統性的知識體系[1]。

Fig. 2 Architecture of multi-engine encryption and decryption security module圖2 多引擎加解密安全模塊框架

本文在圖1所示的固態硬盤架構上，單引擎采用全循環迭代方法[10](即n=1的輪函數合并技術)，并在此基礎上設計了多引擎加解密安全模塊來擴展帶寬，其設計如圖2所示:

第四，配套完整、齊全的法律法規。目前面臨的實際情況是，對于重組整合，相應的法律法規條款不完善。某些具體的條款不夠全面完整。對于某些情況取而代之的是行政指揮命令的方式。這種也很容易影響權利尋租，金錢交易等情況。進而阻礙企業的重組整合進度。影響進度和效率。

為了提高固態硬盤的數據傳輸速率和加解密引擎的數據處理速率，本文提出了一種乒乓技術.將輸入緩存和輸出緩存分別置于SATA端和DRAM端，它們都由2個容量為2 Kb的FIFO組成.當進行數據傳輸時，一個FIFO接受來自主機數據，而另一個FIFO同時進行數據加解密，這樣避免了只有單個FIFO被占用的等待時間，從而將傳輸速度提升1倍.

6) SM4_ENGINE1_READY.sm4_core1_busy為高，此時狀態不跳轉，等sm4_core1_busy為低，數據已經準備好，產生1個sm4_core1_load，狀態機轉換到SM4_ENGINE2_RUN狀態.

Fig. 3 Data transmission flow圖3 數據傳輸流程

5) SM4_ENGINE0_READY.SM4引擎在運行時，會置busy狀態，此時狀態不跳轉，等sm4_core0_busy為低，數據已經準備好，產生1個sm4_core0_load，開始進行加解密.狀態機轉換到SM4_ENGINE1_RUN狀態.

1) SATA Core接收主機數據,通過輸入數據流接口AXI，往SFIFO的FIFO0送2 Kb數據即填滿SFIFO的FIFO0，多引擎加解密安全模塊啟動加密，同時將Sector1，Sector2，Sector3，Sector4開頭的128 b數據分別傳輸給4個SM4引擎，傳輸完成后，接著傳輸下一個128 b直至傳輸完1個Sector的數據.

2) 對FIFO0中的數據加密的同時，SATA Core繼續接收主機數據放到SFIFO的FIFO1中.當SM4加密引擎完成1個128 b數據加密后，就填入到DFIFO的FIFO0對應的Sector中，當SM4完成所有2 Kb數據加密后即填滿DFIFO的FIFO0，DFIFO就把FIFO0中的數據通過輸出數據流接口AXI送入DRAM.

3) 多引擎加解密安全模塊檢查SFIFO的FIFO1是否為滿以及DFIFO的FIFO1是否為空，如果同時滿足，則開始進行FIFO1的加密，否則繼續等待.FIFO0和FIFO1一直乒乓式地交替運行下去，直到所有數據完成.

數據乒乓技術的意義在于無損實現數據加密，一組數據在加密的同時，另外一組數據進入FIFO.這組數據加密完成，下一組數據進入加密過程，這樣就節省了等待時間.

1.6 統計學處理 采用SPSS 20.0統計軟件分析數據。呈正態分布的計量資料以表示。各個時間點及組別大鼠的體質量情況，采用重復測量設計的方差分析模型檢驗；體質量數據不滿足球形時，進一步采用多變量方差(MANOVA)分析。組間大鼠尿蛋白、糖脂代謝及炎癥因子情況的比較采用單因素方差(One-Way ANOVA)分析。兩兩比較采用LSD法。采用Pearson法進行相關性分析；ACR的相關危險因素分析采用logistic回歸分析法。檢驗水準(α)為0.05。

1.3 狀態機設計

為了完成多個加密引擎的流水控制和流量控制，本文設計狀態機來自動控制.加解密安全模塊的狀態遷移如圖4所示：

Fig. 4 State migration of encryption and decryption security module圖4 加解密安全模塊狀態遷移

1) IDLE狀態.該狀態是空閑狀態、狀態復位狀態.

楊三可表示，“甕福做新品，關注的是內涵，是科技含量，必須服務于增產增收、減施增效、綠色環保，為農民創造價值?！彼麑υ趫龅漠Y福農資公司員工提出要求：“目前，集團在新型肥料研發、鐵腕提質、服務提升等方面取得了很多新突破，農資公司必須抓好試驗示范田建設，針對不同的土壤、不同的作物，廣泛開展試驗示范，用實實在在的效果說話，同時也要配套好農化服務、農民培訓等服務，打造幸福農業服務商?！?/p>

2) KEY_RUN狀態.該狀態是密鑰擴展狀態，為了提高運行速度，并節省存儲輪密鑰的寄存器，密鑰采用同步擴展的方法，但是在解密時需要使用最后1個輪密鑰作為起始密鑰，所以在初始化的時候，固件設置密鑰擴展命令，使得SM4引擎進行密鑰擴展，并將最后1個輪密鑰記錄并保存.每個SM4引擎都需要進行密鑰擴展，在更換密鑰的時候也需要重新進行密鑰擴展.

術中體溫的變化分為3個階段：第一個階段是由于麻醉等因素造成血流分布改變引起的核心體溫快速下降，一般會在第1 h內下降0.5～1.5 ℃；第二個階段是由于手術傷口熱量揮發、室溫等因素引起的持續體溫下降，一般持續時間為2～4 h；第三個階段為平緩期，體溫的變化取決于熱量丟失及補充的平衡狀態[42]。通過減少體表暴露、升高室溫、使用溫毯、加溫輸入液體和縮短手術時間等方法有助于維持體溫。

3) KEY_DONE狀態.密鑰擴展完成，固件可以清除key_running信號，狀態機回到空閑狀態.

4) CHECK_FIFO_READY.固件啟動加解密安全模塊后，狀態機開始跳轉到數據等待，加密和解密只是方向不同.加密時，SFIFO的明文數據作為源數據，DFIFO存儲加密后的密文數據并將數據送給DRAM；解密時，DFIFO的密文數據作為源數據，SFIFO存儲解密后的明文數據并將數據返回給主機.此外，只有在源數據FIFO準備好2 Kb數據(不滿2 Kb的，填充其他數據)以及目標FIFO為空時，加解密引擎開始啟動.

以寫流程為例：

此外，對多個加解密引擎的合理調度和控制是實現高效并行密碼處理的關鍵.本文采用輸入與輸出相分離的結構，將每個FIFO均分為4個Sector，每個Sector對應1個加密引擎，用于數據緩存.數據傳輸流程如圖3所示：

抽水井非達西流問題兩種數值模擬方法比較研究……………………………… 王志海，徐 亞，閆俊嶺等(17.53)

7) SM4_ENGINE2_READY.sm4_core2_busy為高，此時狀態不跳轉，等sm4_core2_busy為低，數據已經準備好，產生1個sm4_core2_load，狀態機轉換到SM4_ENGINE3_RUN狀態.

8) SM4_ENGINE3_READY.SM4引擎在運行時會置busy狀態，此時狀態不跳轉，等sm4_core0_busy為低，數據已經準備好，產生1個sm4_core0_load，開始進行加解密.如果這是最后1組數據，則跳轉到WAIT_WDONE，否者，狀態機環回到SM4_ENGINE0_RUN狀態.

9) WAIT_WDONE狀態.等待所有的引擎完成加解密動作，并把數據寫入到目標FIFO中.如果是加密，則等待DFIFO數據寫入到DRAM;如果是解密，則等待SFIFO數據送給主機.

10) DONE狀態.數據加解密完成，返回完成狀態給CPU，CPU清除security_running信號后，狀態機回到空閑狀態.

2 驗證和測試

2.1 功能仿真平臺

SM4加解密引擎設計使用硬件描述語言Verilog HDL實現，測試平臺采用基于UVM(universal verification methodology)驗證技術的芯片SoC設計仿真平臺.為了驗證整個固態硬盤，建立起一套包括SATAⅢ主機虛擬原型、NAND Flash存儲器虛擬原型、DRAM虛擬原型以及基于AHB接口的CPU虛擬原型在內的完整的仿真設計平臺，這里的虛擬原型指的是總線功能模型(bus function model， BFM).此外還增加了計分板模塊，對傳輸變量實時監測以及硬件錯誤及時提示.SATA固態硬盤驗證設計平臺結構如圖5所示：

Fig. 5 Structure of SATA solid state disk verification platform圖5 SATA固態硬盤驗證平臺結構

2.2 SM4功能仿真

SM4功能仿真采用SM4標準手冊第5章的加密實例為參考.

1) 加密密鑰.01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10.

2) 數據明文.01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10.

梁璐身邊的年輕人都知道他故事的梗概，但都是在加盟團隊之后，他們談起未來可能會成為享受分紅的店長，比起那些佛學道理，顯得更有興趣。

3) 數據密文.68 1e df 34 d2 06 96 5e 86 b3 e9 4f 53 6e 42 46.

水利工程施工現場管理過于形式化，易出現各種安全問題。造成這一問題的主要原因為：一是，管理者的管理素質偏低，直接降低水利工程現場管理的整體水平。二是，管理工作缺乏完善的制度，加之水利工程現場環境極為復雜。導致管理工作混亂，無法有效得到落實。三，現場整體工作人員對管理工作重視度低，未深刻認識到現場管理的重要性。

如圖6所示，設置key_running=1，輸入用戶密鑰(usr_key)的值為：01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10.然后給出1個text_ld脈沖，使加密引擎開始進行密鑰擴張計算，在32個時鐘周期后，done信號產生1個脈沖，表示key展開運算結束，并把最后的輪密鑰輸出.可以看出，最后的4輪密鑰也就是rk[31]，rk[30]，rk[29]，rk[28]的值為：91 24 a0 12 01 cf 72 e5 62 29 34 96 42 8d 36 54，符合標準手冊示例的值.

Fig. 6 Waveform of key expansion simulation圖6 密鑰擴展仿真波形

Fig. 7 Waveform of encryption simulation圖7 加密仿真波形

2.2.2 加密仿真

如圖7所示，設置key_running=0，輸入usr_key值為：01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10.輸入明文值為：01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10.在32個時鐘周期后，done信號產生1個脈沖，表示1個分組加密完成，加密結果從text_out端口輸出，只有done為高電平時有效，從仿真可以看出，加密結果是：

68 1e df 34 d2 06 96 5e 86 b3 e9 4f 53 6e 42 46.

2.2.3 解密仿真

如圖8所示，設置key_running=0，輸入usr_key值為：01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10.輸入密文值為：68 1e df 34 d2 06 96 5e 86 b3 e9 4f 53 6e 42 46.在32個時鐘周期后，done信號產生1個脈沖，表示1個分組解密完成，解密結果從text_out端口輸出，只有done為高電平時有效，從仿真可以看出，加密結果是：

Without the interface states, the negative charge Qm on the metal surface must be equal to the positive charge Qd in the semiconductor. However, in real conditions, with interface states, the neutrality condition as:

01 23 45 67 89 ab cd ef fe dc ba 98 76 54 32 10.

Fig. 8 Waveform of decryption simulation圖8 解密仿真波形

2.3 性能分析

為了分析多引擎加解密的整體性能，本文采用SMIC 65 nm工藝對多引擎加解密模塊進行了綜合，然后與參考文獻中SM4實現的性能進行對比，如表2所示：

績效評估方面。也有四類指標，其基礎指標主要包含外文期刊訪問總量、下載總量、單篇下載成本以及相關出版社、集成商和數據庫的來源指標；核心指標則包括學校高質量論文總量與引用總量，引用期刊總量、館藏量、未入館藏量和出版社、集成商和數據庫等來源指標；拓展指標具體指ESI、JCR、SNIP、SJR關聯度、分學科關聯度以及學校核心期刊、學院核心期刊關聯度；合作指標同樣亦為與區域、行業以及學科領域的合作情況。

Table 2 Comparison with SM4 Implementation in References表2 與參考文獻中SM4實現的性能比較

對采用多引擎加解密安全模塊的SATAⅢ固態硬盤進行實際讀寫性能測試，如表3所示：

Table 3 Read and Write Speed Test表3 讀寫速度測試

從表2可以看出，本文設計的多引擎同步工作方式，時鐘頻率可以達到250 MHz，可以實現更高的吞吐率4 Gbps.經過實際測試，如表3所示，該加密固態硬盤的連續讀速度可以達到528.8 MBps，連續寫速度可以達到443.5 MBps，基本匹配SATAⅢ接口的速率要求.

3 結束語

本文主要研究了SM4算法CBC模式在固態硬盤中的實現，為了滿足SATAⅢ型接口固態硬盤的加密并且不損失速率的要求，提出了一種多引擎同步工作的方式.該方法結合乒乓技術，提出了多任務并行機制，與同類設計相比，在相同情況具有更高的吞吐率.對于固態硬盤加密來說，主要包括數據加密和身份認證兩部分，參考TCGOPAL的標準規范，設計身份認證模塊，是下一步研究的重點.

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FanLingyan, born in 1979. PhD. Lecturer in Microelectronics Research Institute of Hangzhou Dianzi University. Her main research interests include intelligent information processing and flash-memory storage systems.

ZhouMeng, born in 1993. MSc candidate. His main research interest is SSD technique.

LuoJianjun, born in 1970. PhD. Professor in Hangzhou Dianzi University. Director of Microelectronics Research Institute (MERI) of Hangzhou Dianzi University. His main research interests include integrated circuit design and developing digital storage & data security systems.

LiuHailuan, born in 1983. MSc. Senior IC engineer. His main research interests include ASIC design in storage field as well as flash and security algorithms.