HMT：一种面向高性能源于硬件的混合盆栽默克尔树算法
密码学与安全
2023-09-19 v2 硬件体系结构
摘要
默克尔树（Merkle tree）是安全计算系统中广泛用于数据/元数据认证的树形结构。近期最先进的 secure systems 使用一种更小尺寸的 MT，即盆栽默克尔树（Bonsai Merkle Tree, BMT）来保护加密计数器等元数据。常见的 BMT 算法是为传统冯·诺依曼架构设计的，其设计以软件为中心的实现为考量，因此它们大量使用递归且常具顺序性。然而，采用现场可编程门阵列（FPGA）设备的现代异构计算平台需要以并发为中心的算法，以充分利用此类系统的通用性与并行性。本工作的目标是引入 HMT，一种硬件友好的 BMT 算法，它使验证与更新过程能独立运作，并提供宽松更新的益处，同时在更新复杂度上可与急切更新相媲美。HMT 的方法学同时贡献了新颖的算法修订与创新硬件技术以实现 BMT。我们引入了一种以硬件为目标、并行且依据 BMT 缓存命中放宽更新的混合 BMT 算法，但与惰性更新相比使更新条件更灵活，以节省额外的写回。部署该新算法，我们设计了一种具有数据流架构、推测缓冲与并行写回引擎的新型 BMT 控制器，允许多重并发宽松认证。我们的经验性能测量表明，在子系统级测试中，HMT 可实现相较基线最高 7 倍带宽提升与 4.5 倍延迟缩减。在 Xilinx U200 加速 FPGA 上的真实安全内存系统中，HMT 在标准基准测试中相较 FPGA 上最先进的 BMT 方案表现出最高 14% 更快的执行速度。
引用
@article{arxiv.2204.08976,
title = {HMT: A Hardware-Centric Hybrid Bonsai Merkle Tree Algorithm for High-Performance Authentication},
author = {Rakin Muhammad Shadab and Yu Zou and Sanjay Gandham and Amro Awad and Mingjie Lin},
journal= {arXiv preprint arXiv:2204.08976},
year = {2023}
}