[发明专利]一种GPU加速的多数据多线程SHA-256计算实现方法

说明书

本发明公开了一种GPU加速的多数据多线程SHA‑256计算实现方法，包括构建SHA‑256算法消息扩展的并行模型；构建SHA‑256算法循环迭代的并行模型；优化数据存储模型和数据流模型；构建完整CPU‑GPU异构结构任务和数据流。本发明采用多线程的方法处理多个数据的SHA‑256摘要的计算任务，利用GPU多级存储的结构，将一些常用数据存放于快速存取结构当中，加快了算法的运算速度；利用CPU‑GPU异构系统不同硬件设备各自的优势实现了合理计算任务分配，降低了计算时间开销。

技术领域

本发明属于加密技术领域，具体涉及一种GPU加速的多数据多线程SHA-256计算实现方法。

背景技术

安全散列算法，也被称作哈希算法(Secure Hash Algorithm，SHA)，能够对一个数字消息，计算生成一个对应的固定长度的字符串，该字符串被称作消息的摘要。SHA算法是一种Hash算法，对于Hash函数，将两个不同的关键字映射到同一个值的情况被称作碰撞，任意Hash算法都无法避免碰撞问题。对于内容不同的消息，由于SHA算法基于消息本身进行了复杂的循环迭代计算，所以生成相同摘要的可能性非常低。这恰好满足区块链对安全性的需求，由于区块链中的每一条交易都是独一无二，不会出现两条一样的数据，所以能够通过SHA算法生成的摘要来判断消息内容是否被篡改。在区块链中使用SHA算法除了能够很好地保护区块数据的安全性之外，生成的摘要长度固定，使得区块头部格式整齐，便于解析。

在区块链中SHA-256目前被用在计算区块头部的前一块的Hash值和当前块的Hash值。SHA-256由美国国家安全局研发，由美国国家标准与技术研究院(NIST)在2001年发布，目前仍然是可靠的加密算法。此外，在比特币诞生初期就出现的PoW(Proof-ofwork，PoW)共识算法，是最早的且安全可靠的公有链共识算法。比特币系统采用这一算法来保证分布式记账的一致性。在PoW算法中，系统的各个节点基于各自的计算机的算力来互相竞争共同求解一个复杂但容易验证的SHA-256数学难题，最快解决该问题的节点会获得下一个区块的记账权和系统自动生成的比特币作为奖励。

GPU(Graphics Processing Unit，图形处理器)起源于用户对于高质量画面的要求，通过将CPU从画面渲染中解放出来，既改善了画面质量，又释放了CPU算力。GPU核心相较CPU轻量很多，它将问题约束在大量的类型相同、可并行即相互无依赖的数据计算上，大幅减少了控制电路与缓存对芯片资源的占用，从而允许在相同的芯片资源与功率下提供远超CPU的核心数量，实现远超传统CPU的高性能并行计算能力。

当前，利用CPU-GPU异构架构或其它硬件平台(如FPGA、ASIC)执行SHA-256算法主要有以下实现方式：

CPU-GPU加速方案：崔岩对安全散列算法SHA-1进行了分析与改进，最后基于CUDA平台实现了SHA-1算法的加速。薛子豪分析了NVIDIA的GPU架构的演变，基于CUDA平台加速了SHA-256以及新的安全散列算法SHA-3系列中的Keccak算法，并对数据流的处理进行了优化。葛灿基于OpenGL平台，在AMD的GPU上实现了SHA-2算法的GPU加速，设计实现并优化了SHA-2口令恢复算法的GPU加速。

专用电路：Koziel等人提出了一种硬件架构来加速后量子密码候选之一的同源密码学。Dai等人[23]提出了一种基于FFT的指数硬件架构用于加速RSA算法。Kerckhof等人总结了在SHA-3竞赛中的五名决赛选手们的基于FPGA平台的精简的SHA-3算法实现。虽然与通用处理器相比，特定的硬件实现在能在性能上有所提升，但它们也存在一些缺点。例如，特定硬件实现不够灵活，不同硬件之间难以兼容，且后续升级维护困难。并且像ASIC这样的硬件实现通常需要昂贵的制造成本，且需要专门的开发设计技巧，导致开发周期变长。