基于gpu的改进sm4并行加解密通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明信息安全技术领域，具体设及一种基于GPU的改进SM4并行加解密通信方 法。
【背景技术】
[0002] 随着物联网的发展，越来越多的企业需要将生产及运营的设备接入网络并对其进 行远程实时监控，大量的设备监控数据往往需要通过互联网传输到远处的监控中屯、。但是， 由于互联网的开放性，一旦监控数据被截获并被加 W用进行破坏活动，其带来的损失是非 常严重的。因而，对传输的监控信息进行加密，同时又保证监控数据传输的实时性是非常重 要的。
[0003] SM4(原SMS4)是国家密码局公布的分组密码算法，其分组长度和密钥长度均为 128bit。加解密算法都采用32轮非线性迭代结构。算法的加密变换主要包含异或运算和合 成变换Τ(.)运算。其中，Τ(.)是由非线性变换τ和线性变换L复合而成，即Τ( . )=L(T (·))。非线性变换τ由4个并行的S盒变换构成，S盒是固定8比特输入8比特输出的变换;线 性变换L主要包含异或运算和左移运算。解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密钥的使 用顺序相反，即解密算法使用的轮密钥是加密算法使用的轮密钥的逆序。加密算法中用到 的轮密钥是由加密密钥MK通过轮密钥扩展算法生成。该扩展算法基本结构与加解密算法相 同，同样包含异或运算和合成置换运算。只是其中的线性变换的形式略有不同。由于SM4算 法在计算过程中增加非线性变换，理论上具有较高的安全性。
[0004] GPU(Gra地ics Processing Unit,图形处理单元）可W理解为可编程的显卡，最早 在计算机中用于图形图像的处理，最近几年GPU还应用到大规模的并行计算领域。由于单块 GPU通常具有上百的核屯、运算单元，相比同价位的CPU而言，GPU所拥有的数百倍于CPU的核 屯、运算单元的数量。GPU非常适合于执行可高度并行化的密集型计算任务，使用GPU执行运 些任务，往往能提升数倍的性能。
[0005] 虽然利用SM4加密算法可W增加数据传输的安全性。但是，由于SM4加密算法的公 开性，轮密钥生成算法与加密算法结构类似，都导致其安全性降低。因此，如何提高数据在 用SM4加密时的安全性成为一个亟待解决的问题。另外，在数据量较大的情况下，使用SM4串 行加密的耗时成为了实时传输的瓶颈。如何利用GPU编程提高SM4算法的加密速度也远程监 控数据传输过程中是需要解决的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明针对SM4串行加密算法在面向监控数据动态采集传输过程中所存在的安全 性和实时性的问题，提供一种基于GPU的改进SM4并行加解密通信方法。
[0007] -种基于GPU的改进SM4并行加解密通信方法，包括发送方的加密过程和接收方的 解密过程，其中
[000引所述发送方的加密过程为：
[0009] 步骤1、利用AES-128密钥扩展法生成SM4加密法所需的32个扩展密钥；
[0010] 步骤2、随机生成1个32位的随机数G;
[0011] 步骤3、利用GPU进行并行SM4加密，即将明文数据分成每块12化k特的数据分组，一 个数据分组的加密任务分配给一个的GPU线程;每个GPU线程再进行32轮循环迭代加密处 理，在每轮循环迭代加密处理时，根据迭代的轮数确定随机数G的对应位置，并根据该位置 上的随机数G的数值选取加密轮函数；
[0012] 步骤4、将各个GPU线程加密输出的数据按分块的前后顺序进行组合后形成密文数 据；
[OOU]步骤5、密文数据从GPU的全局设备存储器内传到内存中，整个力幡过程完成；
[0014]所述接收方的解密过程为：
[001引步骤6、利用GPU进行并行SM4解密，即将密文数据分成每块128比特的数据分组，每 个GPU线程解密一个数据分组;每个GPU线程再进行32轮循环迭代解密处理，在进行32轮循 环迭代解密处理时，根据随机数G对应位置上的取值，动态选择解密的轮函数；
[0016] 步骤7、将各个GPU线程解密输出的数据按分块的前后顺序进行组合后获得明文数 据；
[0017] 步骤8、明文数据从GPU的全局设备存储器内传到内存中，整个解密过程完成。
[0018] 步骤1中，扩展密钥只需要产生一次，该扩展密钥在各个GPU线程加密过程中循环 使用。
[0019] 步骤1中所述密钥扩展的具体过程为：
[0020] 步骤1. 1、将128bit的初始密钥按照列顺序组成4个32bit的字，分别记为W0-W3;
[0021] 步骤1.2、在初始密钥的基础上依次新增31个字wj，每一个新增的字wj的值依赖于 Wj-l和Wj-4,即：
[0022] 当j除W4的余数不为0时，Wj=Wj-4? wj-i;
[0023] 当 j除 W4的余数为0时，Wj=Wj-4? g(wj-i);
[0024] 步骤1.3、利用上述产生的字生成SM4加密算法中用到的扩展密钥，即扩展密钥rki = Wj+4。
[00巧]上述j = 4,5,6......35;i = 0，l，...，31 ;g〇是一个复杂函数。
[0026] 步骤1.2中，复杂函数g()的计算过程如下：
[0027] 步骤1.2.1、将字*"从字节为单位，排列表示成曲，81瓜，83]的形式，并将化〇,81， B2，B3]循环左移一个字节，变换成化，B2，B3，B0];
[0028] 步骤1.2.2、利用465的5盒对输入字的每个字节进行字节替换，变为[8'1，8'2,8'3， B'o];
[0029] 步骤1.2.3、将产生的结果[8'1，8'2,8'3,8'0]与轮常数进行异或输出；
[0030] 上述j = 4,5,6……35。
[0031 ]步骤3中，根据迭代的轮数确定随机数G对应位置，该随机数G的每一位作为每一轮 迭代时动态选择的依据，即：
[0032] 当随机数G的对应的位置的数值为加寸，选择使用:Xi+4 = F(Xi，Xi+i，Xi+2，Xi+3，rki) = Xi ? T(Xi+i ? Xi+2 ? Xi+3 ? rki)作为轮函数；
[0033] 当随机数G的对应的位置的数值为1时，选择使用:Xi+4 = F(Xi，Xi+i，Xi+2，Xi+3，rki) = Xi ? T(Xi+i巧i+2巧i+日? rki)作为轮函数；
[0034] 其中，Xi-Xi+3表示第i轮输入的明文数据，F〇表示轮函数，TO表示合成变换函数， rk康示第i轮使用的扩展密钥，i = 0,1，…，31。
[0035] 步骤3中，每个GPU线程进行加密处理的过程为：
[0036] 步骤3.1、根据本次迭代次数，确定随机数G的对应位置，并根据该位置上的明文数 据的数值选取轮函数；即当随机数G的对应的位置的明文数据的值为0时，计算Xi + l ? Xi+2 ? Xi+3 ?地；当随机数G的对应的位置的明文数据的值为1时，计算Xi+i+Xi却Xi+3 ? rki;并将计 算结果按照字节顺序排列保存为数据块A=(ao，ai，a2，a3);
[0037] 步骤3.2、利用AES的S盒对上一步的数据块A=(曰日，ai，曰2，曰3)进行字节替换，输出 按字节顺序保存为数据块B = (bo，bi，b2，b3)，即（bo，bi，b2，b3) = τ(Α) = (Sbox(ao)，Sbox (ai),訊ox(a2),Sbox(a3));
[003引步骤3.3、将上一步的B进行线性变换，输出保存为数据块C，则:C = L(B) = (B<?0) ? (B?<2) ? (B?<10) ? (B?<18) ? (B?<24)
[0039] 步骤3.4、将上一步生成的数据块C和本次的输入明文数据进行异或运算，计算Xi+4 =Xi Θ C ; Xi+l，Xi+2，Xi+3，Xi+4作为下一次轮循环的输入；
[0040] 步骤3.5、重复上述3.3.1~3.3.4的操作，将上一轮移位后数据作为新一轮输入， 重复32次;经过32循环迭代加密后，输出密文数据为(Yq，Yl，Y2，Y3 ) = (X35，X34，X33，X32 );
[0041] 式中，Xi-Xi+3表示第i轮输入的明文数据，rki表示第i轮使用的扩展密钥，τ()表示 置换变换函数，SboxO为S盒变换函数，L0表示线性变换函数。
[0042] 步骤6中，进行并行SM4解密时，根据迭代的轮数确定随机数G对应位置，该随机数G 的每一位作为每一轮迭代时动态选择的依据，即：
[00创当随机数G的对应的位置的数值为加寸，选择使用:Xi+4 = F(Xi，Xi+i，Xi+2，Xi+3，rk3i-i) =Xi ? T(Xi+i ? Xi+2 ? Xi+3 ? rk3i-i)作为轮函数；
[0044] 当随机数G的对应的位置的数值为1时，选择使用:Xi+4 = F(Xi，Xi+i，Xi+2，Xi+3，rk3i-i) =Xi ? T(Xi+i巧i+2巧i+3 ? rk3i-i)作为轮函数；
[0045] 其中，Xi-Xi+3表示第i轮输入的密文数据，F〇表示轮函数，TO表示合成变换函数， 地1-康示第i轮使用的扩展密钥，i = 0，1，…，31。
[0046] 与现有技术相比，本发明的改进SM4算法比原算法主要改进之处有W下几点：
[0047] (1)利用AES-128密钥扩展算法生成SM4加密算法需要的32个轮密钥;新的密钥扩 展算法，具有透明、简洁、实现速度快等优势。
[0048] (2)替换SM4加密算法中的S盒，使用高强度的AES-128的S盒;有助于抵抗传统的线 性密码分析、差分密码分析、代数攻击及最新的中间相遇攻击等，提高了加密算法的安全 性。
[0049] (3)将加解密函数中32迭代所用轮函数由"固定函数"改为"动态选择"，随机数G的 每一位作为每一轮迭代时动态选择的依据；
[0050] (4)在SM4加密时采用电码本模式巧CB)，具有简单实用、便于并行计算和误差不会 被传递等优点；
[0051] (5)结合AES-128密钥扩展算法与SM4加密算法的新算法，其实现速度更快、安全性 得到提高。
[0052] (6)利用GPU的并行计算能力，将串行SM4加密算法改进成并行加密的形式，对实时 数据进行并行加密;采用GPU并行加密方案实现对大数据环境下动态数据流的加解密，提高 了加密速度，从而保证数据流正常的传输，降低处理延迟。
【附图说明】
[0053] 图1为基于GPU的改进SM4并行加密通信系统加解密示意图；
[0054] 图2为基于GPU的改进SM4并行加密方法流程图；
[0055] 图3为AES密钥扩展算法示意图；
[0056] 图4为g()函数示意图；
[0057] 图5为基于动态选择的SM4轮函数流程图。
【具体实施方式】
[0058] -种基于GPU的改进SM4并行加密通信系统，如图1所示，系统包括位于发送方的并 行加密模块与位于接收方的并行解密模块。其中加密模块负责将发送方提交的动态明文数 据流，利用基于GPU的改进SM4并行加密算法进行加密;解密模块负责将接收方接收的密文 数据，利用基于GPU的改进SM4并行解密算法进行解密。
[0059] 基于GPU的改进SM4并行加解密通信方法，包括发送方的加密过程和接收方的解密 过程。
[0060] 所述发送方的加密过程，如图2所示，包括如下步骤：
[0061] 步骤1、利用基于AES-128密钥扩展算法进行SM4轮密钥扩展，如图3