一種大數(shù)據(jù)環(huán)境下動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的并行加解密方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種大數(shù)據(jù)環(huán)境下動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的并行加解密方法。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生的大量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流并行加解密操作的方法。本發(fā)明利用通用計(jì)算圖形處理器GPU并行完成對(duì)數(shù)據(jù)的加密解密過(guò)程，根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸速率，自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)處理并發(fā)寬度，在保障信息安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)加解密的透明化操作。
【專利說(shuō)明】一種大數(shù)據(jù)環(huán)境下動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的并行加解密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息安全【技術(shù)領(lǐng)域】與并行計(jì)算領(lǐng)域，涉及數(shù)據(jù)加解密并行處理，特別涉及一種面向大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加解密并行處理方法。
技術(shù)背景
[0002]1.大數(shù)據(jù)所涉及的數(shù)據(jù)量規(guī)模巨大，一般無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)工具在合理時(shí)間內(nèi)進(jìn)行處理。傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)的處理一般采用依靠云計(jì)算提供大量的計(jì)算資源，采用批量處理的方式，傳統(tǒng)的大數(shù)據(jù)處理具有以下的問(wèn)題:
[0003]a.占用大量的CPU硬件資源。
[0004]b.使用分布式計(jì)算，需要耗費(fèi)較多時(shí)間在計(jì)算機(jī)之間通信上。
[0005]2.GPU并行計(jì)算是利用GPU完成計(jì)算任務(wù)的并行解決方案。由于單位GPU內(nèi)具有遠(yuǎn)高于CPU數(shù)目的可用于并行的具有計(jì)算能力的計(jì)算單元，相比CPU而言，GPU更加適用于單指令多數(shù)據(jù)的并行執(zhí)行模式。具有計(jì)算速度快，可并行性好的優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于針對(duì)目前大數(shù)據(jù)環(huán)境下大規(guī)模動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中信息安全的要求，設(shè)計(jì)的一種面向大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加解密并行處理方法。解決的技術(shù)問(wèn)題是:傳統(tǒng)分組加密在應(yīng)用到大數(shù)據(jù)環(huán)境下存在較大的處理延遲，并占用大量的CPU計(jì)算資源。
[0007]本發(fā)明針對(duì)上述提到的問(wèn)題，采用一種基于GPU的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)并行加解密模型，有效解決了上述問(wèn)題。
[0008]一種基于GPU的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)并行加解密模型，包括位于發(fā)送方的并行加密模塊與位于接收方的并行解密模塊。其中加密模塊負(fù)責(zé)將發(fā)送方提交的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流明文，利用GPU數(shù)據(jù)處理能力采用并行的方式進(jìn)行加密；解密模塊負(fù)責(zé)將接收方接收的數(shù)據(jù)密文，利用GPU采用并行方式進(jìn)行解密(參見(jiàn)附圖1)。
[0009]一種大數(shù)據(jù)環(huán)境下動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的并行加密方法包括如下步驟(參見(jiàn)附圖2):
[0010]步驟1:發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)至發(fā)送緩沖區(qū)時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸速率。
[0011]步驟2:根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率、GPU核心單元運(yùn)行速率，設(shè)定數(shù)據(jù)加密處理并發(fā)寬度來(lái)控制動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流的加密速率。
[0012]步驟3:將待處理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間映射至GPU。
[0013]步驟4:并行數(shù)據(jù)處理的方式具體采用分組加密算法DES，并將把數(shù)據(jù)劃分為若干64比特大小的數(shù)據(jù)分組，不同數(shù)據(jù)分組的加密任務(wù)按照并發(fā)寬度均勻分配給GPU的處理核心。
[0014]步驟5:按照傳統(tǒng)DES算法計(jì)算子密鑰，將子密鑰傳遞至GPU存儲(chǔ)空間。
[0015]步驟6 =GPU處理核心針對(duì)數(shù)據(jù)分組首先經(jīng)過(guò)初始置換，使用映射方式實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)分組的位置置換(參見(jiàn)附圖4)。然后進(jìn)行16輪循環(huán)，每輪循環(huán)將數(shù)據(jù)分為前后各32位的兩組數(shù)據(jù)，后32位數(shù)據(jù)進(jìn)行費(fèi)斯托函數(shù)運(yùn)算，運(yùn)算后結(jié)果與前32位數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算形成新的32位數(shù)據(jù)，然后交換前后32位中間數(shù)據(jù)。最后使用映射方式實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)分組的末置換(參見(jiàn)附圖4)，完成該數(shù)據(jù)分組的加密。
[0016]步驟7 =GPU核心將對(duì)應(yīng)的所有數(shù)據(jù)分組按照步驟5進(jìn)行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
[0017]步驟8:發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)至接收方接收緩沖區(qū)。
[0018]一種大數(shù)據(jù)環(huán)境下動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的并行解密方法包括如下步驟(參見(jiàn)附圖3):
[0019]步驟1:接收方接收緩沖區(qū)在接收數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸速率。
[0020]步驟2:根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率、GPU核心單元運(yùn)行速率，設(shè)定數(shù)據(jù)解密處理并發(fā)寬度來(lái)控制動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流的解密速率。
[0021]步驟3:將待處理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間映射至GPU。
[0022]步驟4:并行數(shù)據(jù)處理的方式具體采用分組加密算法DES，并將把數(shù)據(jù)劃分為若干64比特大小的數(shù)據(jù)分組，不同數(shù)據(jù)分組的解密任務(wù)按照并發(fā)寬度均勻分配給GPU的處理核心。
[0023]步驟5:按照DES算法計(jì)算子密鑰，然后將子密鑰傳遞至GPU存儲(chǔ)空間上。
[0024]步驟6 =GPU處理核心針對(duì)數(shù)據(jù)分組首先經(jīng)過(guò)初始置換，使用映射方式實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)分組的位置置換(參見(jiàn)附圖4)。然后進(jìn)行16輪循環(huán)，每輪循環(huán)將數(shù)據(jù)分為前后各32位的兩組數(shù)據(jù)，后32位數(shù)據(jù)進(jìn)行費(fèi)斯托函數(shù)運(yùn)算，運(yùn)算后結(jié)果與前32位數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算形成新的32位數(shù)據(jù)，然后交換前后32位中間數(shù)據(jù)。最后使用映射方式實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)分組的末置換(參見(jiàn)附圖4)，完成該數(shù)據(jù)分組的解密。
[0025]步驟7 =GPU核心將對(duì)應(yīng)的所有數(shù)據(jù)分組均按照步驟5進(jìn)行處理。
[0026]步驟8:處理的數(shù)據(jù)由緩沖區(qū)發(fā)送至接收方。
[0027]本發(fā)明一種大數(shù)據(jù)環(huán)境下動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的并行加解密方法，具有的特點(diǎn)和有益效果是:
[0028]本發(fā)明利用GPU的并行計(jì)算能力，降低CPU計(jì)算負(fù)載，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度，自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)加解密速率，采用并行解決方案實(shí)現(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)環(huán)境下動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流的加解密，從而保證數(shù)據(jù)流正常的傳輸，隱藏處理延遲。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]附圖1為大數(shù)據(jù)環(huán)境下動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加解密與傳輸示意圖。
[0030]附圖2為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加密過(guò)程示意圖。
[0031]附圖3為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)解密過(guò)程示意圖。
[0032]附圖4為映射方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)置換操作示意圖。
[0033]附圖5為GPU并行數(shù)據(jù)操作示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)介紹。
[0035]1.數(shù)據(jù)加密處理并發(fā)寬度設(shè)定。網(wǎng)絡(luò)上動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的發(fā)送速率為vsmd，GPU單核心處理數(shù)據(jù)加密的速率為Λ V，設(shè)定并行處理的寬度N，保證任意時(shí)間段VsmdS N.Λ V。
[0036]2.加密過(guò)程的密匙計(jì)算。DES算法密鑰的生成是對(duì)64位長(zhǎng)度的初始密鑰進(jìn)行一系列置換和移位運(yùn)算，得到Kl到K16共16個(gè)子密鑰，每個(gè)子密鑰長(zhǎng)度為48位。通過(guò)CPU計(jì)算完成后，將子密鑰傳遞至GPU存儲(chǔ)器供后續(xù)操作。具體操作如下:
[0037]I)將輸入64位密鑰去掉最后一列校驗(yàn)位后，按照固定的密鑰置換矩陣PC-1對(duì)剩下的56位密鑰進(jìn)行置換，輸出56位數(shù)據(jù)。
[0038]2)將上一步中的輸出劃分為前28位CO和后28位DO兩部分，CO和DO按照事先提供的移位矩陣進(jìn)行循環(huán)左移I位或2位操作,然后重新合并為56位數(shù)據(jù)。
[0039]3)將上一步中的輸出按照壓縮置換矩陣PC-2進(jìn)行壓縮置換，產(chǎn)生第一輪48位子密鑰。
[0040]4)重復(fù)b?c中操作，將上一輪移位后數(shù)據(jù)作為新一輪輸入，重復(fù)16次，生成16個(gè)子密鑰
[0041]3.將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)按照64比特一組劃分為若干分組，并將分組所占存儲(chǔ)空間映射至GPU，然后將所有分組的加密任務(wù)均勻分配至GPU并行處理核心，若并行寬度為N，處理數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度為size字節(jié)，分配至每個(gè)SP的需要處理的數(shù)據(jù)分組個(gè)數(shù)為size/(SN)。
[0042]4.GPU核心操作步驟如下(參見(jiàn)附圖5):
[0043]I)讀取分組數(shù)據(jù)。
[0044]2)使用改進(jìn)后的映射方式實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)位置置換。(參見(jiàn)附圖4)
[0045]3)進(jìn)行16輪循環(huán)，將數(shù)據(jù)分為前后各32位的兩組數(shù)據(jù)，后32位數(shù)據(jù)進(jìn)行F函數(shù)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果與前32位數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算，并交換前后32位的中間數(shù)據(jù)。
[0046]4)使用改進(jìn)后的映射方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)位置末置換。(參見(jiàn)附圖4)
[0047]5)將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至緩沖區(qū)。
[0048]6)讀取下一數(shù)據(jù)分組，重復(fù)步驟a)到e)，直至所有數(shù)據(jù)處理完成。
[0049]5.映射方式實(shí)現(xiàn)位置置換方式包括接收64位數(shù)據(jù)和64位映射表,輸出64位置換后數(shù)據(jù)。映射表任意一位的值對(duì)應(yīng)相應(yīng)數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)偏移量。具體步驟為:
[0050]I)初始化輸出數(shù)據(jù)為O ;
[0051]2)數(shù)據(jù)讀取一位，然后與映射表相應(yīng)元素相乘，結(jié)果與輸出數(shù)據(jù)異或。
[0052]3)重復(fù)步驟2)64次，完成映射。(參見(jiàn)附圖4)
[0053]6.將步驟3處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)滿后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至接收端緩沖區(qū)。
[0054]7.接收方對(duì)從接受緩沖區(qū)內(nèi)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密處理，子密鑰采用逆序參與計(jì)算，其余步驟與加密步驟相同。
[0055]8.解密后數(shù)據(jù)傳輸至接收方。
【權(quán)利要求】
1.一種面向大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加解密并行處理方法，其特征在于:所述的加解密方法包括如下步驟: 步驟1:發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)至發(fā)送緩沖區(qū)以及接收方接收緩沖區(qū)在接收數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸速率； 步驟2:根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率、GPU核心單元運(yùn)行速率，設(shè)定數(shù)據(jù)加解密處理并發(fā)寬度來(lái)控制動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流的加解密速率； 步驟3:將待處理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間映射至GPU ； 步驟4:并行數(shù)據(jù)處理的方式采用分組加密算法DES，把數(shù)據(jù)劃分為若干64比特大小的數(shù)據(jù)分組，不同數(shù)據(jù)分組的加解密任務(wù)按照并發(fā)寬度均勻分配給GPU的處理核心； 步驟5:在步驟I?3執(zhí)行過(guò)程中，同時(shí)對(duì)密鑰進(jìn)行處理，按照傳統(tǒng)DES算法計(jì)算子密鑰，將子密鑰傳遞至GPU存儲(chǔ)空間； 步驟6:每個(gè)GPU處理核心針對(duì)數(shù)據(jù)分組首先經(jīng)過(guò)初始位置置換，使用映射方式實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)分組的位置置換；然后進(jìn)行16輪循環(huán)，每輪循環(huán)將數(shù)據(jù)分為前后各32位的兩組數(shù)據(jù)，后32位數(shù)據(jù)進(jìn)行費(fèi)斯托函數(shù)運(yùn)算，運(yùn)算后結(jié)果與前32位數(shù)據(jù)進(jìn)行異或運(yùn)算形成新的32位數(shù)據(jù)，然后交換前后32位中間數(shù)據(jù)；最后使用映射方式實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)分組的末位置置換，完成該數(shù)據(jù)分組的加解密； 步驟7:將所有數(shù)據(jù)分組按照步驟5進(jìn)行處理，更新緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加解密并行處理方法，其特征在于:所述步驟I中發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)至發(fā)送緩沖區(qū)時(shí)，利用GPU實(shí)現(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)明文的并行加密處理；接收方接收緩沖區(qū)在接收數(shù)據(jù)時(shí)，利用GPU實(shí)現(xiàn)對(duì)密文的并行解密處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加解密并行處理方法，其特征在于:所述步驟2中設(shè)定的數(shù)據(jù)加解密處理并發(fā)寬度要保證動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流的加解密速率大于或等于數(shù)據(jù)傳輸速率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流的加解密速率大于或等于數(shù)據(jù)傳輸速率，其特征在于:對(duì)于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流處理可并發(fā)控制，即根據(jù)數(shù)據(jù)流傳輸速率以及GPU核心單元運(yùn)行速率自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)加解密并發(fā)寬度，保證數(shù)據(jù)加解密速率恒定大于或等于數(shù)據(jù)流傳輸速率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加解密并行處理方法，其特征在于:所述的步驟4中的并行數(shù)據(jù)處理的方式是基于CUDA架構(gòu)，利用GPU并行計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加解密并行處理方法，其特征在于:所述的步驟6中的映射方式實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)分組的位置置換時(shí)，原始數(shù)據(jù)分組的任意一位與映射表對(duì)應(yīng)元素相乘，實(shí)現(xiàn)該位數(shù)據(jù)置換至正確的置換位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種面向大數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加解密并行處理方法，其特征在于所述的映射表共包含64個(gè)元素，第m個(gè)元素對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)分組第m位需置換到的目的位置系數(shù)，系數(shù)大小設(shè)定為2'
【文檔編號(hào)】G06F21/60GK103632104SQ201310487509
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】劉鎮(zhèn), 劉曉, 王蘊(yùn)培, 蔣玉宇 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)