编者荐语

针对量子计算带来的安全挑战，此PCIe密码卡的设计提供了一个创新的解决方案，不仅兼容多种商用与国际密码算法，还特别集成了后量子密码技术，确保了未来信息安全的前瞻性需求。

本文发表于《通信技术》2024年10期。

引用格式：李骁 , 罗俊 , 黄明浩 . 支持后量子密码算法的PCIe密码卡设计与实现[J]. 通信技术,2024,57(10):1095-1103.

摘　要

为应对量子计算对公钥密码算法的威胁，研究了一种支持后量子密码算法的外设部件互联标准总线（Peripheral Component Interconnect express，PCIe）密码卡设计方法。该卡基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和安全芯片硬件架构，支持 SM2、SM3、SM4等商用密码算法及AES、RSA国际密码算法。然后，通过FPGA实现后量子密码（Post-QuantumCryptography，PQC）算法功能，并提出了Crystals-Kyber算法的模块化设计方法，分析了资源占用情况。卡端支持主机通过直接存储器访问（Direct Memory Access，DMA）交换数据和指令，减轻中央处理器（Central Processing Unit，CPU）负载，提高数据传输效率。性能测试显示，集成的Kyber512算法密钥生成速度达5.2万次/s，封装速度达4.3万次/s，解封速度达2.5万次/s，具有良好的表现。

论文结构

0　引　言

1　硬件设计

2　FPGA逻辑设计

2.1 逻辑框图设计

2.2 Kyber算法设计实现

3　软件设计

3.1 主机软件总体设计

3.2 驱动软件设计

4　密码卡性能测试

5 结 语

作者简介

  • 李 骁（1997—），男，硕士，工程师，主要研究方向为后量子密码算法应用；
  • 罗 俊（1975—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为网络安全、密码技术和量子密钥分配在电信运营商网络中的应用；
  • 黄明浩（1982—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为网络安全。