HRaccoon：高性能可配置抗侧信道攻击的Raccoon硬件加速器

摘要

基于格密码的Raccoon方案是美国国家标准与技术研究院（NIST）后量子密码（PQC）附加数字签名标准化流程第一轮的候选方案之一。作为具备内置掩码特性的方案，Raccoon也是NIST掩码电路与阈值密码项目的可行候选者。当前Raccoon的实现仅限于软件或软硬件协同设计，因此缺乏硬件实现通常可保证的高吞吐性能。为此，我们首次提出了一种可配置的高性能纯硬件架构用于Raccoon。所提出的FPGA架构在Raccoon的关键模块（如模约减、多项式运算和采样）进行了深度优化。基于分段和循环的调度方案与定义的BRAM内存访问模式交互，确保在三种安全级别和两种掩码模式（无掩码和一阶掩码）下实现高效连贯的数据流。在AMD Artix-7 FPGA设备上的实现结果表明，尽管硬件面积与轻量级CRYSTALS-Dilithium架构相当，但我们的架构在三种安全级别下相比软件实现提速1.4–2.1倍，相比软硬件协同设计提速20–42倍。最后，通过TVLA测试对无掩码和一阶掩码的Raccoon-128进行了侧信道攻击抗性评估。

关键词

Raccoon, FPGA, 后量子密码学, 数字签名, 侧信道分析, 掩码技术

作者信息

Ziying Ni：英国贝尔法斯特女王大学安全信息技术中心（CSIT）
Ayesha Khalid：英国贝尔法斯特女王大学安全信息技术中心（CSIT）
Zhaoyu Zhang：英国贝尔法斯特女王大学电子电气工程与计算机科学学院
Yijun Cui：中国南京航空航天大学集成电路学院
Weiqiang Liu：中国南京航空航天大学集成电路学院
Máire O’Neill：英国贝尔法斯特女王大学安全信息技术中心（CSIT）

技术细节

架构优化

关键模块优化：针对模约减、多项式运算和采样模块进行深度硬件优化
内存访问模式：采用基于BRAM的内存访问模式设计
调度机制：结合分段和循环的调度方案确保数据流效率

性能表现

平台：AMD Artix-7 FPGA
加速比：
- 相比软件实现：1.4–2.1倍提升
- 相比软硬件协同设计：20–42倍提升
面积效率：与轻量级CRYSTALS-Dilithium架构相当

安全特性

安全级别：支持三种不同安全强度
掩码模式：支持无掩码和一阶掩码两种模式
侧信道防护：通过TVLA测试验证抗侧信道攻击能力

引用信息

DOI: https://doi.org/10.46586/tches.v2025.i3.413-436
发布时间: 2025年6月5日
期刊: IACR Transactions on Cryptographic Hardware and Embedded Systems, 2025年第3期