Методи та засоби проектування конфігуровних секційних операційних пристроїв для опрацювання цифрових підписів

Abstract

Дисертацію присвячено вирішенню науково-прикладної задачі створення конфігуровних секційних операційних пристроїв для опрацювання цифрових підписів на основі еліптичних кривих. Основну увагу приділено апаратній реалізації на ПЛІС секційних операційних пристроїв, орієнтованих на роботу з багаторозрядними елементами простих та двійкових полів Галуа. Розрядність полів перевищує встановлену національними стандартами України і відповідає вимогам міжнародних стандартів. Операційні пристрої запропоновано розглядати як багаторівневу ієрархічну секційну структуру – функціональний канал, апаратна складність рівнів якого зменшується у геометричній пропорції, що забезпечує найкраще співвідношення продуктивності та апаратних витрат. Запропоновано та вдосконалено методи проектування таких структур, їх самоперевіряння, методи вбудованого контролю секційних елементів та метод маскування роботи їхніх пристоїв керування. Реалізовано засіб проектування у вигляді генератора ядер основних секційних вузлів, виконано перевіряння адекватності запропонованих методів та засобів, здійснено їхнє впровадження. Диссертация посвящена решению научно-прикладной задачи создания конфигурируемых секционированных специализированных операционных устройств для работы с цифровыми подписями на основе эллиптических кривых. Основное внимание уделено аппаратной реализации на ПЛИС секционированных операционных устройств. Операционные устройства рассмотрены как многоуровневая иерархическая секционированная структура. Предложены и усовершенствованы методы проектирования таких структур, их самопроверки, реализовано средство проектирования в виде генератора ядер основных устройств, выполнена проверка адекватности предложенных методов и средств, выполнено их внедрение. В работе определена основная проблема при создании средств обработки цифровых подписей - несоответствие украинских стандартов международным. Международные стандарты предусматривают использование полей Галуа намного большей степени. В данной работе определяется задача - создание методов и средств обработки цифровых подписей, которые обеспечивают соблюдение и международных, и украинских стандартов. За основу для проведения исследований взята модель взаимосвязи открытых систем. В соответствии с этой моделью специализированные процессоры представляются как функциональные каналы, которые имеют многоуровневую многозадачную структуру. Предложена многоуровневая структура конфигурируемых секционных операционных устройств для обработки цифровых подписей на основе эллиптических кривых, которая рассматривается как функциональный канал, в котором каждый уровень образован сочетанием универсального протокольного процессора и исполнительного спецпроцессора низшего уровня. Аппаратная сложность уровней изменяется в геометрической прогрессии. Это позволяет предложить развитие метода проектирования с использованием принципов эталонной модели взаимосвязи открытых систем, когда сложность каждого уровня определяется количеством секций операционных устройств, что позволяет достичь наилучшего соотношения производительности и аппаратных затрат. Для конфигурируемых секционных операционных устройств для обработки цифровых подписей на основе эллиптических кривых: методом функциональной декомпозиции проведено распределение задач между уровнями предложенной многоуровневой системы, что обеспечило их независимое проектирование; определен наилучший для реализации с точки зрения аппаратных расходов вариант декомпозиции цифровых автоматов (секционных операционных устройств), которые образуют многоуровневую систему; показано преимущество многоуровневой системы перед параллельной одноуровневой. Предложен встроенный детектор ошибок умножения элементов в нормальном базисе типа 2, который требует меньших аппаратных затрат в сравнении с известным, доказана целесообразность использования умножителя со встроенным детектором ошибок при обработке электронных цифровых подписей. Также предложены средства проверки узлов встроенного контроля во время их проектирования. Также в данном разделе обоснована нежелательность применения метода Монтгомери в операционных устройствах для выполнения операций над элементами полей Галуа GF(2). В работе отражены особенности аппаратной реализации конфигурируемых секционных операционных устройств для обработки цифровых подписей. Рассмотрены методы маскировки работы устройств управления, проверки результатов работы и встроенного контроля. Полученные результаты обобщенны как метод проектирования конфигурируемых секционных операционных устройств для обработки цифровых подписей. В работе приведены результаты реализации и внедрения секционных операционных устройств. Основной результат: создан и проверен на уровне моделей генератор ядер конфигурируемых секционных умножителей со встроенным контролем для умножения в нормальном базисе элементов двоичных полей Галуа GF(2m) для определенных стандартами степеней из диапазона значений m=515 … 998, которые используются при обработке цифровых подписей на основе эллиптических кривых. Dissertation is devoting the decision of the scientifically applied task of creation of configurable sectional operational devices for processing digital signatures based on elliptic curves. Major concentration was spared over the hardware representation of sectional devices on FPGA, oriented to work with the multibit elements of the simple and binary fields of Galois. The bit of the fields exceeds the national standards sets of Ukraine and answers the requirements of international standards. It is suggested to present operating devices as a multilevel hierarchical sectional structure - functional channel, hardware complication of levels of which diminishes in a geometrical proportion which provides the best correlation of the productivity and hardware resources. The methods of planning of such structures are selftest methods, methods of builtin control of sectional elements and method of mask of work where their control units are offered and improved. The design tools as a core generator of basic sectional units is realized, adequacies of the offered methods and facilities are executed, and their introduction is carried out.