[发明专利]一种GPU用抗量子攻击XMSS签名方法并行实现方法及系统

说明书

本发明公开了一种GPU用抗量子攻击XMSS签名方法并行实现方法及系统，通过两层并行方法，包括第一层结构上的并行，第二层的Winternitz一次性签名相关结构和L树构建的并行，结合多级并行方案的决策，得到一个GPU上抗量子攻击XMSS签名方法的并行高效实现。通过两层并行方法，包括第一层结构上的并行，第二层的相关结构和L树构建的并行，结合多级并行方案的决策，实现了XMSS算法在GPU上的高效并行执行。

技术领域

本发明属于网络安全技术领域，具体涉及一种GPU用抗量子攻击XMSS签名方法并行实现方法及系统。

背景技术

网络安全是一门综合性的学科，包含网络设备安全、网络信息安全和网络软件安全。信息的安全传输是网络信息安全中的一部分，主要涉及密码学的知识。签名算法可以用于证明发送方发送信息的真实性，是一种无处不在的网络安全传输技术，其中，XMSS签名方法是一种可以抵御量子威胁的基于哈希的签名算法，于2020年被标准化。

量子威胁指的是Shor算法和Grover算法可以使用量子计算机来破解现有密码体系，如RSA、DSA和ECDSA。如果大型量子计算机被研发出来，破解现有密码体系将变得可行，因此提出并完善可以抵御量子威胁的算法变得十分迫切。其中，XMSS签名方法和LMS算法是第一批也是仅有的被NIST标准化的抗量子攻击签名算法，相比于其他抗量子攻击算法，安全性和运行效率均有优势。这两个算法均为有状态的算法，即一个私钥仅能进行一次签名。虽然使用存在一些限制，但是在以下场景推荐使用：1.在最近需要部署数字签名方案；2.会部署很长时间；3.一旦部署了该算法，不会过渡到其他算法。

XMSS签名方法的一些标准化参数实现仍然存在运行时间过长的问题，例如在XeonGold 5218R(2020年发布，14纳米，2.1GHz)处理器上运行官方代码时，生成签名的时间最多可以到6535s。因此，为了提高XMSS签名方法的可用性，亟待提高算法运行效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种GPU用抗量子攻击XMSS签名方法并行实现方法及系统，用于解决XMSS无法利用GPU多核架构并行运行的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

一种GPU用抗量子攻击XMSS签名方法并行实现方法，包括以下步骤：

S1、对XMSS算法代码进行GPU适配，调整代码结构和编译选项，得到适配GPU代码；

S2、依据GPU架构确定XMSS参数对应使用的多级并行方案，包括一级或两级并行方案；

S3、依据步骤S1得到的适配GPU代码和步骤S2确定的多级并行方案，部署第一级并行方案，得到部署第一级并行方案的代码，第一级并行方案为结构并行，同一层级每个节点的计算是独立的，用于被并行计算；

S4、依据步骤S3得到的部署第一级并行方案的代码，部署第二级并行方案，包括Winternitz一次性签名过程和L树的构建，完成抗量子攻击XMSS签名方法并行实现。

具体的，步骤S1具体为：

S101、适配XMSS算法的C语言代码实现到GPU上，提供CPU与GPU之间的数据传输接口，调整代码中参数处理方式以适配GPU编译器，调整编译参数以适配GPU编译器；

S102、移植哈希函数到GPU上，包括SHA256和SHAKE256哈希函数；同时依据GPU架构特点对哈希函数进行优化；

S103、使用正确性验证程序对移植代码进行正确性验证，同时对XMSS的签名上限进行测试。

进一步的，步骤S103中，正确性验证包括生成XMSS密钥对、XMSS签名以及XMSS签名。

具体的，步骤S2具体为：