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刘雷波王博魏少军... 编

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• 可重构计算
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• 加速器
• 密码处理器
• 计算机体系结构
• 信息安全

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出版社： 科学

ISBN：9787030542441

商品编码：29701790720

开本：16

出版时间：2018-02-01

基本信息

• 商品名称：可重构计算密码处理器(精)
• 作者：刘雷波//王博//魏少军
• 定价：160
• 出版社：科学
• ISBN号：9787030542441

其他参考信息（以实物为准）

• 出版时间：2018-02-01
• 印刷时间：2018-02-01
• 版次：1
• 印次：1
• 开本：16开
• 包装：精装
• 页数：337
• 字数：443千字

内容提要

刘雷波、王博、魏少军著的《可重构计算密码处 理器》主要介绍基于可重构计算技术的密码处理器系 统设计方法，包括密码算法的动态重构实现特性分析 、处理器系统结构设计与软件编译技术，并以一款作 者团队设计的可重构计算密码处理器Anole为例讲解 具体实现方案。在此基础上，本书重点讨论利用可重 构计算形式的局部动态重构特性与阵列式处理架构提 升密码处理器抗物理攻击安全性的设计方法，展望可 重构计算密码处理器技术的未来发展。
     本书适合电子科学与技术、密码科学、网络与信 息安全、计算机科学与技术等专业的科研人员、研究 生，以及工程师阅读学习。
    

目录

序
前言
第1章 绪论
1.1 信息安全与密码处理器
1.2 密码处理器的应用需求挑战
1.3 传统密码处理器研究现状
1.3.1 ASIC密码处理器研究现状
1.3.2 ISAP密码处理器研究现状
1.3.3 传统密码处理器的局限性
1.4 可重构计算密码处理器技术
1.4.1 可重构计算概述
1.4.2 可重构计算密码处理器研究现状
参考文献
第2章 密码算法的重构特性分析
2.1 密码算法功能及其分类
2.2 对称密码算法
2.2.1 分组密码算法
2.2.2 序列密码算法
2.3 杂凑算法
2.3.1 杂凑算法介绍
2.3.2 杂凑算法特点
2.3.3 杂凑算法共性逻辑
2.3.4 杂凑算法并行度
2.4 公钥密码算法
2.4.1 公钥密码算法介绍
2.4.2 公钥密码算法特点
2.4.3 公钥密码算法共性逻辑
2.4.4 公钥密码算法并行度
参考文献
第3章 可重构计算密码处理器硬件架构
3.1 可重构数据通路
3.1.1 可重构计算单元
3.1.2 互连网络
3.1.3 数据存储
3.1.4 异构模块
3.2 可重构控制器
3.2.1 配置控制方法
3.2.2 控制状态机
3.2.3 配置信息组织与存储
参考文献
第4章 可重构计算密码处理器编译方法
4.1 可重构计算处理器通用编译方法
4.2 可重构计算密码处理器关键编译方法
4.2.1 代码变换和优化
4.2.2 IR的划分和映射
4.3 可重构计算密码处理器算法编译实例
4.3.1 对称密码算法实现举例
4.3.2 杂凑算法实现举例
4.3.3 公钥密码算法实现举例
参考文献

《可重构计算密码处理器（精）》是一本深度探讨特定计算架构在加密技术应用领域前沿进展的学术专著。本书并非聚焦于可重构计算本身，而是以其为基础，重点剖析了如何将其独特的设计理念和硬件实现方式，成功应用于构建高性能、高安全性、低功耗的密码处理器。 本书的写作宗旨在于填补当前计算机科学与密码学交叉领域研究中的一个重要空白，即系统性地阐述可重构计算架构在实际密码学应用中的可行性、优越性以及面临的挑战。作者团队由在计算架构、VLSI设计、信息安全以及密码学等领域拥有深厚造诣的专家组成，他们的研究成果与工程实践相结合，为本书提供了坚实的理论基础和丰富的实践案例。 核心内容涵盖了以下几个关键方面： 第一部分：可重构计算基础与密码学应用接口 这一部分首先为读者建立起对可重构计算核心概念的清晰认识。不同于传统的固定功能的硬件加速器（如ASIC）或灵活但相对低效的软件实现（如CPU/GPU），可重构计算（Reconfigurable Computing, RC）的核心在于其硬件结构的灵活性。本书将详细介绍： 可重构计算的演进与分类： 从早期的时间可重构（Time-reconfigurable）到空间可重构（Spatially reconfigurable），以及兼具两者的混合模式。重点将放在那些能够实现细粒度、动态重构的架构，这些架构为密码算法的硬件实现提供了前所未有的设计空间。 核心硬件模型： 深入剖析各种典型可重构计算平台，如FPGA（Field-Programmable Gate Array）、CGRAs（Coarse-Grained Reconfigurable Arrays）以及更具前瞻性的动态可重构硬件。我们将探讨它们的内部结构、配置机制、数据流处理能力以及重构延迟等关键性能指标。 可重构计算与密码算法的契合点： 分析密码算法的内在特性，例如其高度并行化的数据路径、频繁的比特/字节操作、以及对特定算术逻辑单元（ALU）的依赖。这些特性与可重构硬件的并行处理能力、按需配置功能单元的特性高度匹配，是构建高效密码处理器的关键。本书将详细阐述，为何可重构硬件能够超越通用处理器在执行特定密码任务时所遭遇的瓶颈。 重构的策略与开销： 深入探讨在密码处理器设计中，如何平衡重构的灵活性与重构带来的开销（如配置时间、资源消耗、功耗）。我们将分析不同的重构策略，例如静态重构（一次配置，长期使用）、动态重构（根据不同算法阶段或不同算法切换进行配置），以及如何通过算法-硬件协同设计来最小化重构损耗。 第二部分：面向主流密码算法的可重构硬件架构设计 本书的第二部分是内容的核心，它将展示如何将可重构计算的理论转化为实际的密码处理器设计。我们将选取一系列具有代表性的现代密码算法，深入剖析其硬件实现面临的挑战以及可重构解决方案的优势。 对称密码算法的加速： 分组密码（如AES）： 分析AES的轮函数、S盒、移位行、列混合等模块的计算特点。探讨如何利用可重构阵列中的逻辑资源，高效地实现这些并行度高、算术密集型的操作。例如，通过动态配置查找表（LUT）实现S盒的高速计算，或者构建灵活的数据通路来适应不同的AES密钥长度和模式。 流密码（如ChaCha20）： 探讨流密码中涉及的加法、异或、旋转等操作。分析可重构硬件如何通过配置简单的逻辑单元和高效的数据调度，实现比通用处理器更高的吞吐量。 哈希函数（如SHA-256, SHA-3）： 深入研究Merkle-Damgård结构或海绵结构的工作原理。分析其中涉及的消息扩展、轮函数、压缩函数等关键计算。重点阐述可重构硬件如何通过定制化的处理单元来加速这些计算密集型的过程，例如并行执行多个轮函数，或者高效实现多精度算术运算。 非对称密码算法的加速： 模加、模乘与模幂运算： 分析模加、模乘等基本运算在非对称密码（如RSA, ECC）中的重要性。探讨如何利用可重构硬件构建高效的模算术单元，例如通过流水线技术优化大数模乘，或者实现高效的模幂算法（如平方-乘法）。 椭圆曲线密码（ECC）： 深入分析ECC中的点加、点倍等运算。探讨如何利用可重构硬件实现高效的点加法算法（如仿射坐标法、射影坐标法），以及如何针对特定的曲线参数进行硬件优化，以达到极高的计算效率和安全性。 公钥基础设施（PKI）相关算法： 提及其他与PKI相关的算法，如数字签名算法（DSA, ECDSA），以及如何在可重构平台上实现其高效的验证和签名过程。 后量子密码（PQC）算法的硬件实现： 随着量子计算的威胁日益临近，后量子密码算法的研究成为热点。本书将初步探讨可重构计算在加速这些新兴算法方面的潜力。例如，基于格（Lattice-based）、编码（Code-based）、多变量（Multivariate）和基于哈希（Hash-based）的密码算法，其计算特点与传统算法有所不同，例如涉及多项式运算、矩阵运算或组合优化问题。本书将分析可重构硬件如何通过灵活配置和并行处理来应对这些新的计算需求，为PQC算法的早期硬件实现提供探索性思路。 第三部分：安全增强与功耗优化技术 高性能的密码处理器不仅要求速度，更需要具备高度的安全性，并尽可能降低功耗，以满足嵌入式系统和移动设备的需求。本书的第三部分将重点关注这些方面。 侧信道攻击（SCA）防御： SCA原理与威胁模型： 详细介绍功耗分析（SPA/DPA）、电磁辐射分析（EMA）、时间分析（TA）等主流侧信道攻击。 可重构硬件的SCA免疫设计： 探讨如何利用可重构硬件的灵活性来对抗SCA。例如，通过引入随机化操作、混合算法、动态时钟/电压调整、散布操作执行时间等技术，使得侧信道信息变得难以提取和关联。介绍如何通过改变硬件配置来动态地改变功耗特征，从而混淆攻击者。 专门的安全模块设计： 设计和实现对SCA免疫的特定硬件模块，如秘密分享单元、掩码逻辑单元等，并在可重构平台上进行集成。 故障注入攻击（FIA）防御： FIA原理与威胁模型： 介绍电压/时钟毛刺、激光注入等故障注入攻击。 可重构硬件的FIA检测与恢复： 探讨如何利用可重构硬件的动态重构能力和冗余资源，实现故障的检测和自恢复。例如，通过双模冗余（TMR）或三模冗余（TMR）等技术，在配置层面上实现对故障的容忍。 功耗优化策略： 基于算法的功耗优化： 针对不同的密码算法，选择或设计功耗更低的实现方案，并在可重构平台上实现。 基于硬件的功耗优化： 探讨如何通过精细的门控时钟、动态电压调整、数据流优化、降低单元活动率等技术，在可重构硬件的配置和运行时实现功耗的最小化。 算法-硬件协同功耗分析： 强调在设计早期就进行功耗分析，并根据分析结果反向优化硬件配置和算法实现。 第四部分：设计流程、工具链与未来展望 本书的最后一部分将回归到实际工程实践，并对该领域的未来发展进行展望。 可重构密码处理器设计流程： 详细介绍从算法选定、高层抽象、硬件描述、可重构配置生成、到最终综合、布局布线和仿真验证的完整设计流程。 关键工具链与技术： 介绍用于可重构硬件开发和优化的相关工具，包括硬件描述语言（Verilog/VHDL）、高层综合（HLS）、可重构计算框架（如ROCC for Rocket Chip）、以及专门用于密码学优化的工具库。 性能评估与基准测试： 提供一套客观的性能评估标准，用于衡量不同可重构密码处理器的吞吐量、延迟、功耗、以及安全性等级。对比基于可重构硬件、ASIC和通用处理器在执行典型密码任务时的性能差异。 挑战与机遇： 讨论当前可重构计算在密码处理器领域面临的挑战，如高昂的设计成本、复杂的开发流程、以及软件与硬件协同的难度。同时，展望未来发展趋势，包括更先进的可重构架构、AI辅助设计、以及在物联网、5G/6G通信、区块链等新兴领域的广泛应用前景。 总结而言，《可重构计算密码处理器（精）》是一本集理论深度、实践广度与前沿视野于一体的专著。 它不仅能够帮助研究人员和工程师深入理解可重构计算在密码学领域的巨大潜力，更能为实际设计和实现高性能、高安全的密码处理器提供一套系统性的方法论和丰富的技术参考。本书的目标读者包括但不限于：计算机体系结构的研究人员、信息安全工程师、VLSI设计专家、密码学研究者，以及对下一代安全硬件技术感兴趣的从业人员和高等院校的师生。本书致力于成为该领域不可或缺的权威参考资料。

评分☆☆☆☆☆

这本书的篇幅虽然不薄，但排版布局却做到了极佳的平衡，既保证了专业图表的完整展示，又避免了因内容密集而产生的压迫感。字体选择适中，行间距处理得当，即便是长时间阅读，眼睛的疲劳感也比阅读某些印刷质量不佳的同类书籍要轻得多。从装帧的细节处，可以看出出版方对这本书的定位是非常严肃且高标准的。它不仅仅是知识的载体，更是一种阅读体验的保障。这种对细节的关注，间接烘托了内容本身的严谨性。总而言之，这是一部在内容深度、逻辑严密性和阅读舒适度上都达到了业界较高水准的作品，它成功地将一个高度复杂的专业领域，以一种既能满足专家深入研究的需求，又能引导初学者建立正确认知框架的方式呈现了出来，其价值体现在多个维度。

评分☆☆☆☆☆

这部书的封面设计简直是一场视觉盛宴，色彩的运用大胆而又不失内敛，黑与白的交织仿佛预示着书中内容那种深邃又充满张力的主题。我拿起它的时候，那种沉甸甸的手感让我立刻感受到作者在内容上倾注的心血。光是翻阅目录，那些充满专业术语的章节标题就足以让人对其中的知识密度产生敬畏。它似乎不仅仅是一本技术手册，更像是一扇通往数字世界底层逻辑的窗口。我对其中关于信息安全和硬件架构结合的部分特别感兴趣，感觉作者对这个交叉领域的理解达到了一个非常精深的层次，不是那种浮于表面的介绍，而是深入到了设计哲学的层面。我迫不及待地想知道，那些复杂的算法是如何在物理芯片上实现高效运作的，这种将抽象概念具象化的过程，想必在书中会有详尽的阐述。整体而言，从装帧到初步的印象，这本书都散发着一种不容小觑的学术气息和实践指导价值，让人对即将展开的阅读之旅充满期待，希望它能带我领略一番计算安全领域的前沿风光。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验，很大程度上取决于读者自身的知识背景，对于我这个在相关领域摸爬滚打了几年的人来说，它更像是一本“进阶的内功心法”。我发现书中引用的参考资料非常新颖且具有前瞻性，显示出作者对当前学术界和工业界最新动态的紧密跟踪。我尤其欣赏作者在论述不同设计方案的优劣时所展现出的那种客观中立的态度，没有明显的偏好，而是将每种方案的性能指标、资源消耗和潜在风险都摆在台面上进行对比分析。这使得读者在吸收知识的同时，也能培养起批判性思维，学会如何根据实际应用场景做出权衡和取舍。在讨论到系统级的安全保障体系构建时，那种宏观的架构设计思维展现得淋漓尽致，它不再局限于单一模块的优化，而是着眼于整个生命周期内的防御纵深。这本书提供的不只是“怎么做”，更是“为什么这样设计最好”的深度洞察。

评分☆☆☆☆☆

读完前几章，我被作者那种极其严谨的叙述风格深深吸引住了。他处理复杂问题的态度，就如同一个技艺精湛的钟表匠在打磨每一个齿轮，精确、细致，且不放过任何一个可能产生误差的微小环节。书中对基础理论的铺陈，绝不是那种为了凑篇幅的空洞堆砌，而是每一步推导都紧密围绕着最终要解决的核心问题，逻辑链条异常清晰，读起来酣畅淋漓，即便是涉及到高深数理的部分，作者也总能找到巧妙的比喻来辅助理解，让人感觉像是有一位经验丰富的大师在耳边悉心点拨。这种将理论深度与可读性完美平衡的能力，实在难得。特别是他对某一类特定安全机制的剖析，那种抽丝剥茧的分析方法，让我对以往理解模糊的环节豁然开朗。这本书无疑是为那些真正想深入理解原理、而非满足于停留在应用层面的读者准备的“硬菜”。

评分☆☆☆☆☆

当我翻到关于具体实验和测试方法的章节时，我几乎立刻就能联想到实际操作的场景。作者没有仅仅停留在理论建模上，而是给出了大量的、可复现的工程实例和性能测试数据。这些数据图表制作得非常专业，每一个坐标轴的标注、每一个曲线的变化都似乎在讲述一个完整的故事——关于算法效率的权衡、关于硬件资源限制下的最优解探索。我注意到作者在描述实验环境的搭建时非常细致，这对于想要在自己的实验室进行验证的同行来说，简直是无价之宝。这种将理论与实践紧密耦合的写作风格，极大地增强了本书的实用价值。它不仅仅是一本可以陈列在书架上彰显品位的书，更是一本需要在工作台上随时翻阅、做笔记的工具书。阅读过程中，我数次停下来，对照自己手头的项目，思考如何将书中的先进理念融入到实际的工程迭代中去。