發(fā)布時(shí)間：2020-11-02 18:31

　　 隨著云計(jì)算應(yīng)用的日益推廣和天地一體化網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn),各種應(yīng)用系統(tǒng)的用戶數(shù)和業(yè)務(wù)量海量增長,使其計(jì)算和存儲(chǔ)面臨著大數(shù)據(jù)處理的挑戰(zhàn),同時(shí)也對業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的安全提出了迫切需求。高性能綜合密碼系統(tǒng)作為為天地一體化網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算等綜合信息網(wǎng)絡(luò)提供密碼服務(wù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,其能夠提供的密碼計(jì)算能力影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性能。根據(jù)綜合信息網(wǎng)絡(luò)“信道開放、資源動(dòng)態(tài)變化、實(shí)體類型多元、拓?fù)鋸?fù)雜”的特點(diǎn),密碼處理系統(tǒng)面臨著業(yè)務(wù)隨機(jī)多樣、安全需求多元、密碼算法多元、網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)變化、鏈路信道特性各異,以及密碼服務(wù)能力不斷增長的功能和性能需求。本文針對千萬量級在線并發(fā)密碼作業(yè)在高性能綜合密碼系統(tǒng)上的運(yùn)算需求,深入研究了異步并發(fā)多密碼算法運(yùn)算的關(guān)鍵技術(shù),從系統(tǒng)架構(gòu)和調(diào)度算法設(shè)計(jì)兩個(gè)方面,解決多算法/多密鑰/多數(shù)據(jù)流隨機(jī)交叉加解密問題。利用負(fù)載均衡與多線程技術(shù),解決密碼服務(wù)IO排隊(duì)造成的吞吐率瓶頸問題,實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的動(dòng)態(tài)調(diào)配,解決靜態(tài)計(jì)算資源和動(dòng)態(tài)密碼服務(wù)需求之間的矛盾,提高密碼并發(fā)服務(wù)能力和高吞吐率的密碼計(jì)算能力。主要研究工作和成果如下:(1)研究密碼算法的運(yùn)算特點(diǎn),提出一種支持混合交叉業(yè)務(wù)高并發(fā)處理的異構(gòu)多密碼算法核并行處理架構(gòu)FSPP(Four-Stage Parallel Processing),單芯片可支持多算法、多密鑰、多IP核的高并發(fā)處理功能。此架構(gòu)將數(shù)據(jù)的處理分為分轉(zhuǎn)、預(yù)處理、運(yùn)算及同步重組四個(gè)階段,通過基于數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)的分級處理機(jī)制實(shí)現(xiàn)作業(yè)包與算法IP核間的映射與數(shù)據(jù)處理,增設(shè)KSM存儲(chǔ)器和KSM存取控制邏輯用于交叉訪問下關(guān)聯(lián)作業(yè)包中間狀態(tài)的存取,保證混合工作模式下算法運(yùn)算狀態(tài)的全程跟蹤。通過同步隊(duì)列syn-queue和同步重組模塊syn,保證交叉訪問下輸入、輸出數(shù)據(jù)間的同步。(2)針對高性能綜合信息網(wǎng)絡(luò)中海量業(yè)務(wù)安全需求的特點(diǎn),研究數(shù)據(jù)流調(diào)度算法,結(jié)合上述提出的FSPP異構(gòu)多核處理架構(gòu),提出了具有關(guān)聯(lián)判斷控制的基于業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)的分層硬件調(diào)度方法HHS-ACDID,通過兩級調(diào)度完成數(shù)據(jù)流作業(yè)包在算法簇和處理節(jié)點(diǎn)上的分配及執(zhí)行�？紤]到算法核的異構(gòu)性,為提高多密碼算法并行處理的效率,以負(fù)載均衡為調(diào)度目標(biāo),在HHS-ACDID基礎(chǔ)上,綜合考慮算法處理節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)容量和處理速度,設(shè)計(jì)了一種同時(shí)支持非關(guān)聯(lián)任務(wù)和關(guān)聯(lián)任務(wù)的負(fù)載均衡作業(yè)調(diào)度算法,提高了多業(yè)務(wù)異步并發(fā)的密碼處理吞吐率。(3)研究多任務(wù)并發(fā)同步技術(shù),針對交叉業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)處理場合,提出一種基于索引表的多密碼算法多數(shù)據(jù)流同步處理方案。通過設(shè)計(jì)專門的低資源占用率的硬件同步電路,采用正在處理索引表、阻塞索引表、已處理索引表,對進(jìn)入和流出算法核的作業(yè)包業(yè)務(wù)索引號進(jìn)行記錄,實(shí)現(xiàn)作業(yè)包的流向控制,保證處理單元工作的單一性和連續(xù)性,避免軟同步方案編程復(fù)雜和可靠性低的問題,加速了密碼業(yè)務(wù)的處理速度。在上述研究和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上,在Xilinx K7系列的XC7K325t FPGA上對方案進(jìn)行了原型實(shí)現(xiàn),通過隨機(jī)交叉業(yè)務(wù)流密碼運(yùn)算在實(shí)際多核平臺(tái)上的測試,驗(yàn)證了本文提出的異步并發(fā)多密碼算法運(yùn)算系統(tǒng)架構(gòu)和調(diào)度算法的正確性及有效性,滿足了高性能綜合密碼系統(tǒng)的功能和性能需求。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN918.1
【部分圖文】：

法模塊作業(yè)包寫完成信號，從圖 4.9 可以看出此方案實(shí)現(xiàn)了對不同業(yè)務(wù)、不同長度作業(yè)包的正確調(diào)度。圖4.9 兩級調(diào)度仿真結(jié)果在原型系統(tǒng)下對系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的速度進(jìn)行測試，圖 4.10 所示為 2 個(gè)和 3 個(gè) SM2核，線程數(shù)分別為 32、64、128 和 256 時(shí)簽名、驗(yàn)簽的速度。在某一算法處理節(jié)點(diǎn)數(shù)量不變的情況下，改變處理線程數(shù)，作業(yè)流的處理速度不受影響。當(dāng)增加算法的處理節(jié)點(diǎn)數(shù)量時(shí)，業(yè)務(wù)流的處理速度近似線性增加。圖4.10 算法核和線程數(shù)量不同時(shí) SM2 簽名、驗(yàn)簽速率

量不變的情況下，改變處理線程數(shù)，作業(yè)流的處理速度不受影響。當(dāng)增加算法的處理節(jié)點(diǎn)數(shù)量時(shí)，業(yè)務(wù)流的處理速度近似線性增加。圖4.10 算法核和線程數(shù)量不同時(shí) SM2 簽名、驗(yàn)簽速率
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本文編號：2867410