高并行度的信息加解密算法研究(4)
虽然一个线程块可以包含线程的数量受到限制，但是一个kernel可以包括多个大小相同的线程块，因此kernel中的总线程数就等于每个块中线程的数量乘以线程块的数量。线程块之间是相互独立的，它们可以并行的执行，也可以顺序的串行执行。这就使得线程块可以在多个处理器核之中按照任意顺序调度，从而使得开发具有很强的灵活性和可编程性。并且这样线程块的数量就可以根据需要处理数据块的大小决定，而不是由系统中处理器核的个数决定，也就是说线程块的总数量可以大于多核处理器的总数量。因此kernel中可以具有大量线程块，从而具有极高的线程数量。不过因为线程块之间执行具有不确定性，所以不同线程块的线程之间不能够进行同步操作[6]。
在CUDA架构下，最小的执行单位是线程（thread）。多个线程可以组成一个线程块（block）。一个线程块中的线程能存取同一块共享内存，而且可以快速进行同步的动作。每一个线程块所能包含的线程数目是有限的（512或1024）。执行相同内核函数的线程块可以组成栅格（grid）。不同线程块中的线程无法存取同一个共享的内存，因此无法直接通信或进行同步。因此，不同线程块中的线程能合作的程度是不高的。不过，可以充分利用这个模式，取消CUDA实际上能够并行执行的线程数目限制。不同的栅格则可以执行不同的程序（即Kernel，内核函数）。栅格、线程块和线程之间的关系如图2.2所示。
图 2.2 栅格、线程块和线程之间的关系
每个线程自身都有一块32 bit大小的寄存器（register）和本地存储器（local memory）。同一个线程块中的每个线程则有共享的一块共享存储器（shared memory）。另外，所有的线程都共享一块常量存储器（constant memory）、全局存储器（global memory）和纹理存储器（texture memory）。不同的栅格文护各自不同的常量存储器、全局存储器、和纹理存储器[5]。CUDA的内存模型如图2.3所示。
图2.3 CUDA的内存模型3 AES加密算法
3.1 AES算法背景
1997年9月12日NIST正式征集算法，要求AES算法定义一个非保密的、算法公开的、无版税的、可在全球使用的对称分组密码，至少支持128比特长度的分组，支持128、192和256比特密钥长度。 2000年5月15日第二轮公开分析阶段结束，NIST认为Rijndael算法汇聚了安全、性能、效率、易用和灵活等优点，是AES最合适的选择。2000年10月2日NIST宣布最终选择Rijndael作为建议的AES，并于2001年7月正式投入使用。2001年11月26日NIST以美国联邦信息处理标准出版物197（FIPS PUB 197）将Rijndael作为AES规范发布[7]。
3.2 AES加密算法说明
3.2.1 AES算法特点
AES算法是一种循环分组密码算法。虽然Rijndael算法的分组长度和密钥长度可以独立的指定为128bit、192bit或256bit，但在FIPS PUB 197中规定AES只可以用于处理128bit的分组，密钥长度可以是128bit、192bit或256bit，分别称为AES-128、AES-192和AES-256。AES加密的轮数是一个变量，主要依赖于密钥长度，所有的运算都将在一个4×4字节的模块上进行。每轮包括4个顺序步骤：轮密钥加，字节代替，行移位，列混合。在加密以前，我们必须使用密钥扩展算法扩展密钥[8]。
明文分组要经过多次变换操作才能形成密文分组，算法每次操作的中间结果称为状态（State），各种变换都在状态上进行。状态可以用字节为元素组成二文数组阵列，共4行，Nb列，Nb等于数据块长度除以32。密钥的设计类似二文字节数组，也是4行，Nk列，且Nk等于密钥块的长度除以32。AES算法使用的是圈变换，其变换的轮数Nr由Nb和Nk共同决定，如图3.1所示：