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修 士 論 文 概 要 書

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(1)

修 士 論 文 概 要 書

提出

2008

年

2

月 学籍番号

3606U120–9 CD

専門分野 情報・ネットワーク専攻

研究指導 マルチメディアシステム

氏 名

谷村 和幸

指 導

教 員

柳澤 政生 印

研 究 題 目

GF (2 n ) 及び GF (P ) における楕円曲線暗号向け スケーラブルモンゴメリ乗算器に関する研究

1 まえがき

通信の安全性を確保する公開鍵暗号の

1

つに楕円曲線暗 号がある.現在最も普及している公開鍵暗号である

RSA

暗 号の鍵長

1024bits

の安全性は,楕円曲線暗号の鍵長

160bits

の安全性と同等とされている.この鍵長が短い特長から,楕 円曲線暗号のハードウェア実装は,RSA暗号に比べて小面 積かつ高速になる.楕円曲線暗号の中で,最も支配的な演 算は剰余乗算であるが,一般的に剰余乗算にはモンゴメリ 乗算器が用いられる.ただし,暗号強度によって,モンゴメ リ乗算器のオペランドのビット幅は

160bits

から

256bits

も しくはそれ以上と可変で,スケーラビリティを持ったアー キテクチャが望まれる.加えて,楕円曲線暗号を用いた署名 方式である

EC-DSA

では

GF (P)

と

GF (2 n )

の両方で標準 化規定があるため,モンゴメリ乗算器も

GF (P )

と

GF (2 n )

上の両方の値を扱える必要がある.

GF (2 n )

上では正負の区 別をせず,その加算はビット同士の単純な排他的論理和で 定義される.桁上げの考慮の必要がない

GF (2 n )

乗算器に 比べて

GF (P )

乗算器は遅延時間が長く,暗号プロセッサの 動作周波数を落す要因となっていた.本論文では,GF

(2 n )

及び

GF (P)

における楕円曲線暗号向けスケーラブル双基 数ユニファイド型モンゴメリ乗算器の提案を目的とする.

2 楕円曲線暗号

楕円曲線暗号は楕円曲線上に加法群を定義し,その離散 対数問題を解く困難性を安全性としている.楕円曲線暗号 の離散対数問題の攻撃法は指数時間を要する手法しか構築 されていないが,公開鍵暗号のデファクトスタンダードであ る

RSA

暗号は準指数時間の解法が存在する.その為,160 ビットの鍵長を持つ楕円曲線暗号の暗号強度は

1024

ビット 鍵長の

RSA

暗号と同等の暗号強度とされている.従って,

特に高速化,低消費電力,バンド幅の縮小に向いており,プ ロセッサの処理能力やメモリ容量,面積が制限されている 環境に適している.

3 モンゴメリ乗算

剰余乗算では乗算結果を得た後に,除算を実行して剰余 を取る必要がある.対して,モンゴメリ乗算では剰余を取 りながら乗算の実行が可能である.

図

1

に楕円曲線暗号の階層図を示す.モンゴメリ乗算は 最下層に属するが,これを用いて上位層の計算が行われる ため,楕円曲線暗号の高速化にはモンゴメリ乗算器の高速

化が最も効果的である.

Protocols (EC-DSA)

Point multiplication

Point addition and doubling Finite field arithmetic (ADD/SUB/XOR/MAC in GF(2n)/MAC in GF(P)) Layer-4:

Layer-3:

Layer-2:

Layer-1:

図

1:

楕円曲線暗号スキームにおける演算操作の階層.

3.1

スケーラブル

GF (P )

モンゴメリ乗算アルゴリズム

“finely integrated operand scanning method”

による

GF (P )

におけるスケーラブルモンゴメリ乗算アルゴリズ ムを図

2

に示す.ここで,nビットの入力は

m

個の

d

ビッ トのブロックに分割して表現するとする

(n = m · d).大文

字は

n

ビットの多倍長の値を表し,小文字は

d

ビットの

1

ブロックを表す.入力

A

は

d

ビットごとに区切られている ので,nが変化したときは

d

は固定したまま

m

を増減させ る.また,dは基数のビット幅を意味する.同様に,入力

B

を

w

ビットごとの

e

個に区切り,wビット

× d

ビット乗 算器を繰り返し使うことでスケーラビリティを得られる.n が変化したときは

m

と同様に

e

も増減させる

(n = e · w).

使用する他の主な記号の定義を表

1

に示す. モンゴメリ乗

INPUT:A=

(

am−1,· · ·, a1, a0

)

2d INPUT:B=

(

bm−1,· · ·, b1, b0

)

2d INPUT:P=

(

pm−1,· · ·, p1, p0

)

2d(0≤A, B < P) INPUT:q=−P−1 mod 2d

OUTPUT:C=AB2−nmodP C:= 0

fori= 0 tom−1 z:= 0 ti:=

(

c0 +aib0

)

qmod 2d forj= 0 tom−1

S:=cj+aibj+tipj+z if (j6= 0) thencj−1 :=Smod 2d z:=S

/

2d cm−1 :=z

if (C > P) thenC:=C−P

図

2: GF (P)

におけるスケーラブルモンゴメリ乗算アルゴ リズム.

算のアルゴリズム

(図 2)

では,ABの乗算結果に法である

P

の倍数を加算し,下位

n

ビットを

0

にすることで剰余演 算を不要にしている.

3.2

スケーラブル

GF (2 n )

モンゴメリ乗算アルゴリズム

GF (2 n )

におけるスケーラブルモンゴメリ乗算アルゴリ ズムを図

3

に示す.GF

(2 n )

上でも図

2

とほぼ同じ操作で 演算できる.ただし,GF

(2 n )

では

GF (P )

と異なり,桁上

(2)

表

1:

表記法

パラメータ 意味

A,B モンゴメリ乗算のオペランド

ai,bi A,Bを構成するi番目のdビット(wビット)のブロック P モンゴメリ乗算の法

q q=P−1 modr S モンゴメリ乗算中の部分積 C モンゴメリ乗算結果 n A,B,及びPのビット長 r 基数(r= 2d) d dビットブロックのビット長 m dビットブロックの数(m=dn/de) w wビットブロックのビット長

e wビットブロックの数(e=dn/we)

げ作業が無いために,最終ステップで減算が必要になる可 能性がない.

INPUT:A(x) =

(

am−1,· · ·, a1, a0

)

xd INPUT:B(x) =

(

bm−1,· · ·, b1, b0

)

xd INPUT:P(x) =

(

pm−1,· · ·, p1, p0

)

xd INPUT:q(x) =P(x)−1 modxd

OUTPUT:C(x) =A(x)B(x)x−nmodP(x) C(x) := 0

fori= 0 tom−1 z(x) := 0 ti(x) :=

[

c0 (x) +ai(x)b0 (x)

]

q(x) modxd forj= 0 tom−1

S(x) :=cj(x) +ai(x)bj(x) +ti(x)pj(x) +z(x) if (j6= 0) thencj−1 (x) :=S(x) modxd z(x) :=S(x)

/

xd cm−1 (x) :=z(x)

図

3: GF (2 n )

におけるスケーラブルモンゴメリ乗算アルゴ リズム.

4 提案モンゴメリ乗算器

入力ビット幅の等しい

GF (P )

乗算器と

GF (2 n )

乗算器 では,GF

(P )

乗算器の遅延時間の方が長くなる.GF

(P )

乗算器と

GF (2 n )

乗算器の遅延時間差を図

4

に示す.図

4

は,VHDLを用いて記述した

GF (P)

と

GF (2 n )

の両乗算 器を,

Synopsys

社の

Design Compiler

で論理合成した結果 によるものである.ライブラリには

STARC90nm

プロセス 用ライブラリ

1

を用いている.図

4

では,この時の

GF (P )

と

GF (2 n )

の遅延時間差を削減できれば,両フィールドを 扱うときに分周器などで複数の動作周波数対応させること を考慮する必要がなくなる.d

= 64

のときの

GF (2 n )

乗算 器による遅延時間とほぼ同じ

GF (P )

乗算器の遅延時間の

d

の値は

16

のときである.そこで,

GF (P )

乗算器と

GF (2 n )

乗算器の遅延時間差削減のために,基数

2 16

で

4

並列化し た

GF (P )

部分と基数

2 64

の

GF (2 n )

部分を

1

つに統合し た乗算アーキテクチャを提案する.小さい基数を

GF (P)

に 用いて双基数化するために増加するサイクル数を並列化に より削減する.

提案手法の

GF (2 n )

におけるクロックサイクル数見積も りを式

(1)

に,

GF (P )

におけるクロックサイクル数を式

(2)

に表される.式

(2)

は図

2

の最終ステップで減算が行われ た最悪の場合である.

2m 2 + 5m + 3 (1)

m 2

2 + 3m + 6 (2)

1STARC90nmプロセス用ライブラリは東京大学大規模集積システム設計教育研究センターを通し株式会社 半導体理工学研究センターの協力で作成されたものである.

k GF(P) GF(2^n)

2 0.13 0.07 1.857143 4 0.28 0.12 2.333333 8 0.67 0.33 2.030303 16 1.27 0.59 2.152542 32 2.52 0.85 2.964706 64 4.77 1.27 3.755906

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

0 10 20 30 40 50 60 70

d bits

Delayns

GF(P) GF(2^n)

図

4: GF (P )

乗算器と

GF (2 n )

乗算器の遅延時間差.

64-bit GF(2n) Multiplier

/64 /64

GF(P) Multiplier

/16 /16

/32 GF(P) Multiplier

/16 /16

/32 GF(P) Multiplier

/16 /16

/32 GF(P) Multiplier

/16 /16

/32

/128 MUX

/128 /128 GF(2n) Product

図

5:

双基数ユニファイド型乗算器.

5 論理合成結果

提案するスケーラブル双基数ユニファイド型モンゴメリ乗 算器を含む

ALU

部

(積和器,加減算器,排他的論理積器を含

む),レジスタファイル部,コントローラ部を

Verilog-HDL

で記述し,図

4

のときと同様に論理合成を行った.

表

2

に提案手法と既存手法によるモンゴメリ乗算実行時 間の比較を示す.ただし,表

2

中の

256

ビット

MM

時間は

256

ビットモンゴメリ乗算実行時間を意味する.表

2

にお いて,提案手法による

GF (2 n )

及び

GF (P)

におけるモン ゴメリ乗算の演算実行時間は,既存手法の中で最速であっ た文献

[1]

の手法に比べても短い.特に

GF (P )

では提案手 法が文献

[1]

の手法に比べ

1.3

倍高速である.

表

2:

モンゴメリ乗算器の性能比較

文献 テクノロジ 動作周波数 フィールド 基数 256ビットMM時間

Ours 90 nm CMOS 641M Hz GF(P) 216 0.28µs

Ours 90 nm CMOS 641M Hz GF(2n) 264 86ns [1] 0.13µmCMOS 137.7M Hz GF(P) 264 0.48µs [1] 0.13µmCMOS 510.2M Hz GF(2n) 264 98ns

6 むすび

本論文で提案した

GF (2 n )

及び

GF (P )

における楕円曲 線暗号向けスケーラブルモンゴメリ乗算器を用いることに よって,様々なセキュリティレベルの楕円曲線暗号を,よ り高速に暗号化及び復号することが可能となる.

今後の課題としては,チップ試作に向け,ゲートレベル での動作検証や配置・配線が挙げられる.

参考文献

[1] A. Satoh and K. Takano, “A Scalable Dual-Field Elliptic Curve Cryptographic Processor,” IEEE Transactions on Computers, Vol.52, No.4, pp.449-460, April 2003.

研究業績

査読付論文誌

IEEE Transactions on Computers Special-Purpose Hardware for Cryptography and Cryptanalysis 2008 (投稿中)

査読付国際会議

13th IEEE Asia and South Pacific Design Automa-

tion Conference(ASP-DAC) 2008

国内研究会 電子情報通信学会研究会

(VLD) 2007

図

表 1: 表記法 パラメータ 意味 A, B モンゴメリ乗算のオペランド ai , bi A, B を構成する i 番目の d ビット (w ビット) のブロック P モンゴメリ乗算の法 q q = P − 1 mod r S モンゴメリ乗算中の部分積 C モンゴメリ乗算結果 n A, B, 及び P のビット長 r 基数 (r = 2 d ) d d ビットブロックのビット長 m d ビットブロックの数 (m = dn/de) w w ビットブロックのビット長 e w ビットブロックの数 (e = dn/

参照

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