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基于GPGPU的高效AES彩色数字图像加密技术的研究与实现

作　者: 孙冰
导　师: 徐洁
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: GPGPU OpenCL AES高级加密标准 ATI STREAM 彩色图像
分类号: TP309.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 79次
引　用: 1次
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内容摘要

由于人们对信息安全的逐步重视,加解密技术一直是研究的热点。各种加密算法相继问世,但加解密算法的安全性与复杂性始终是两个不可调和的矛盾体,在加解密速度和安全性上无法做到两全其美。因此目前有很多安全的加密算法,但由于其复杂性受个人计算机有限的计算能力限制,无法做到快速的加解密,从无法得到普片的运用。AES算法作为目前应用非常广泛的加密算法,有着很好的安全性。其具有分组迭代加密的特征,迭代次数越多,加密效果越好,但同时这也使得对运算设备的计算能力提出了很高的要求。近年来,通用目的图形处理单元(GPGPU),这种新的大规模密集型并行处理器开始进入人们的视线并被应用到各个领域中。GPGPU拥有着惊人的浮点运算性能,特别是在密集型计算的科学运算领域,几乎每一代GPGPU依靠超强的浮点运算性能都能大大的超越了同期的顶级CPU的运算速度。同时GPGPU其相对低廉的硬件价格,使其成为性价比极高且强劲的大规模并行计算设备。本文为了充分利用GPGPU的强大性能,达到提高AES密码算法加解密速度的目的,提出了一种在GPGPU上实现AES加密算法针对彩色数字图像加解密的方法。由于目前GPGPU的开发平台众多,在文中对目前最常见的多个开发平台分别进行了介绍和比较,根据其各自的特点最终选择了ATI STREAM技术作为开发平台,并将AMD OpenCL作为API接口。同时,为了让算法更好的适应彩色数字图像的特征,提出了将图像信息横向扩展的概念,让RGB信息同时参与运算,达到更好的置乱加密效果。另外,为了发挥出GPU的并行计算能力,对AES算法进行了并行化改进。本文以程序的形式对以上的理论进行了实现,最终根据程序运行结果比对证明,基于ATI STREAM的的AES的实现速度达到了传统CPU上AES实现速度的19.59倍。本文的工作证明了基于GPGPU的硬件加速方法非常适合计算密码学算法,将有助于推动GPGPU在密码学领域的进一步发展。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-18
  1.1 论文的研究背景及选题意义  9-10
  1.2 GPGPU 并行计算技术的背景与现状  10-13
    1.2.1 GPGPU 的定义  10
    1.2.2 GPGPU 的广泛应用  10-13
  1.3 数字图像加密技术的背景与现状  13-15
  1.4 GPGPU 在数字图像加密中的应用价值  15-16
  1.5 本文的结构  16-18
第二章 GPGPU 通用计算技术理论  18-33
  2.1 GPGPU 并行计算技术综述  18-22
    2.1.1 GPGPU 相对于CPU 的优势  18-21
    2.1.2 当前的GPU 开发环境  21-22
  2.2 NVIDIA CUDA 技术  22-23
  2.3 ATI STREAM 技术  23-30
    2.3.1 ATI Stream 编程模型  24-26
    2.3.2 流处理器硬件的功能  26-27
    2.3.3 线程处理  27-28
    2.3.4 流控制  28
    2.3.5 内存模型  28-29
    2.3.6 流处理器的分配  29-30
  2.4 ATI 与NVIDIA 并行计算技术对比  30-32
  2.5 本章小结  32-33
第三章关键算法分析与设计  33-46
  3.1 AES 算法综述  33-34
  3.2 AES 算法的加密解密流程  34-40
  3.3 基于AES 的图像加密算法  40-42
  3.4 AES 算法针对于彩色图像的改进  42-43
  3.5 AES 算法的并行化改进  43-45
  3.6 本章小结  45-46
第四章基于GPGPU 的AES 改进算法程序实现  46-68
  4.1 程序需求分析  46-47
    4.1.1 需求分析  46
    4.1.2 项目概述  46-47
    4.1.3 具体需求  47
  4.2 项目分析  47-49
    4.2.1 实现方法  47-49
    4.2.2 方法比较与选择  49
  4.3 关键算法研究  49-54
    4.3.1 OpenCL 介绍  49-53
    4.3.2 项目核心代码实现  53-54
  4.4 结构概况  54-55
    4.4.1 功能结构图  54-55
    4.4.2 模块结构图  55
  4.5 模块的具体设计  55-59
    4.5.1 初始化模块  55-56
    4.5.2 参数配置模块  56-57
    4.5.3 运行模块  57-58
    4.5.4 校验模块  58
    4.5.5 资源释放模块  58-59
    4.5.6 状态显示模块  59
  4.6 测试与运行  59-63
    4.6.1 加密测试  59-60
    4.6.2 解密测试  60-61
    4.6.3 运算时间显示功能测试  61-62
    4.6.4 运算结果校验功能测试  62-63
  4.7 实验结果分析  63-67
    4.7.1 加解密结果分析  63-66
    4.7.2 程序运行效率分析  66-67
  4.8 本章小结  67-68
第五章结束语  68-70
  5.1 全文总结  68-69
  5.2 未来的工作  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-75

基于GPGPU的高效AES彩色数字图像加密技术的研究与实现

内容摘要

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