软件学报

作者：胡跃，赵旭阳，王威，袁谦，郑婕妤，杨亚芳

单位：胡跃，复旦大学 计算机科学技术学院, 上海 20043311,赵旭阳，复旦大学 计算机科学技术学院, 上海 20043302,王威，复旦大学 计算机科学技术学院, 上海 20043303,袁谦，复旦大学 计算机科学技术学院, 上海 20043304,郑婕妤，复旦大学 计算机科学技术学院, 上海 20043305,杨亚芳，复旦大学 计算机科学技术学院, 上海 20043306

关键词：后量子密码;格基密码;数字签名算法;FPGA;硬件实现

基金：国家重点研发计划(2022YFB2701601); 上海市协同创新基金(XTCX-KJ-2023-54); 上海市科委区块链关键技术攻关专项基金(23511100300)

数字签名算法对于网络安全基础设施有至关重要的作用, 目前的数字签名方案大多是基于Rivest-Shamir-Adleman (RSA)和椭圆曲线密码学(ECC)实现的. 随着量子计算技术的快速发展, 基于传统的公钥密码体系的数字签名方案将面临安全性风险, 研究和部署能够抵抗量子攻击的新型密码方案成为重要的研究方向. 经过多轮评估分析, 美国国家标准研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)于2024年8月公布了后量子数字签名标准方案ML-DSA, 其核心算法是Dilithium. 针对格基数字签名算法Dilithium高维多项式矩阵运算的特点, 基于FPGA平台提出了多种优化实现方法, 具体包括可配置参数的多功能脉动阵列运算单元、专用型多项式并行采样模块、针对多参数集的可重构存储单元设计、针对复杂多模块的高并行度时序状态机, 旨在突破性能瓶颈以实现更高的签名运算效率, 并最终实现了可同时支持3种安全等级的数字签名硬件架构. 该设计方案在Xilinx Artix-7 FPGA平台上进行了实际的部署和运行, 并且和已有的同类型工作进行了对比. 结果表明, 与最新的文献相比, 该设计方案在3种安全等级下的签名运算效率分别提升了7.4、8.3和5.6倍, 为抗量子安全的数字签名运算服务提供了性能基础, 并且对于推进格密码方案的工程化和实用化进程提供了一定的借鉴意义和参考价值.

来源：2025年第10期

《软件学报》期刊编辑部

查看软件学报杂志2025年第10期