7-Zip加密算法的OpenCL设计与实现

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随着多媒体计算机技术、计算机网络技术以及现代多媒体通信技术的高速发展,数据在传输过程中的安全问题也凸显出来,所以人们对数据加密的关注度也越来越高。数据加密也称为密码学,主要是指明文通过加密算法和加密密钥转换成密文。现在GPU的发展速度已经远远超过CPU的发展速度,几乎每年都有新一代的GPU产生,而且GPU已经不仅仅局限于3D图形、图像处理等方面,在并行计算,尤其浮点运算等方面已经取得了较大的成功。而作为图形渲染专用的处理器,GPU具有很高度的并行特征,因此GPU的通用计算研究已经成为国内外研究的重点。2000年10月2日美国政府正式宣布,比利时密码学家Joan Daemen和VincentRijmen提出的一种加密算法RIJNDAEL作为AES加密算法。AES算法主要是指明文经过字节替代,行位移,列混合,轮密钥加四个部分变换之后形成密文。字节替代就是指指利用一个非线性的字节完成替代变换任务,它还能够独立的把状态中的字节利用替代表(s盒)进行替换操作;行位移是指行中的字节向较低位置移动,将最低位的字节交换到最高位;列混合是指将每一列看成是一个4次多项式,然后对每一列进行计算;轮密钥加是指使用一个比特和一个轮密钥进行异或操作,然后在使其作用在与之相关的状态上。在AES算法中有ECB、CBC、CFB、OFB和CTR五种加密模式,而本文研究的AES算法是CTR模式(计数模式),CTR模式加密是指对一系列的输入数据块(称为counter)进行加密,从而产生一系列的输出块,利用这个得到的输出块与明文进行异或操作得到密文。在2008年6月的WWDC大会上,美国苹果公司提出了OpenCL的设计规范。随后,Khronos Group宣布成立GPU通用计算开放行业标准工作组,以苹果的提案为基础创立OpenCL行业规范。OpenCL全称为Open Computing Languange,即为开放计算机语言。其发挥了GPU强大的计算能力,提供了一个互相开发的,兼容的,高效的,易用的开发平台。OpenCL完成了对CPU和GPU的连接,从而使GPU和CPU的结合更加紧密。本文主要是利用OpenCL实现对7-zip的加密算法进行优化,从加密算法的本身入手,利用OpenCL的实现过程进行实现主要有一下几个步骤:OpenCL平台初始化、OpenCL运行模块、OpenCL内存管理模块等,实现对AES加密算法的改进,从而达到加速的效果。首先比较了GPU与CPU的架构,得出了GPU在运算方面的优势。另外还对AES加密算法进行了详细的研究,分析了AES加密算法的执行过程,以及还学习了执行过程中的应用到的一些数学知识。针对7-zip的加密算法提出了并行优化方案,所以我们提出了基于OpenCL的实现的AES加密算法的方案,利用GPU并行处理的特性提高7-zip的整体运行效率。经过试验得出,经过OpenCL实现后,比单纯的CPU计算提速了20%-30%。
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