基于Intel QAT的同态加密卸载方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010338077.5 (22)申请日 2020.04.26 (71)申请人 中国科学技术大学 地址 230026 安徽省合肥市包河区金寨路 96号 (72)发明人 华蓓周慧凯 (74)专利代理机构 北京凯特来知识产权代理有 限公司 11260 代理人 郑立明韩珂 (51)Int.Cl. G06F 9/48(2006.01) G06F 9/54(2006.01) G06F 7/552(2006.01) G06F 21/60(2013.01) (54)发明名称 基于Intel。

2、 QAT的同态加密卸载方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于IntelQAT的同态加 密卸载方法， 通过将每一次同态加密过程封装为 一个协程来实现加密任务的高效QAT异步卸载， 在增强系统同态加密卸载过程的并发性， 提高系 统吞吐量的同时， 通过嵌套协程提交无关大数模 幂运算任务的方式还进一步降低了单次同态加 密的延时。 对于由CPU和QAT组成的异构系统整体 而言， 异步方式还避免了CPU的无效阻塞， CPU因 而可以去做更多的运算， 最终CPU与QAT的算力都 得到了充分应用。 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 CN 111538582 A 2020.08.14 CN 1115385。

3、82 A 1.一种基于Intel QAT的同态加密卸载方法， 其特征在于， 包括： 在QAT用户态驱动以上搭建软件栈， 软件栈从下往上为QAT访问层、 同态加密库、 应用层 三个层次； 每一个同态加密任务在应用层被封装为协程， 协程根据参数获取待加密的数据， 然后 调用同态加密库， 实现应用层同态加密； 同态加密库负责同态加密算法的实现， 并调用QAT 访问层进行任务的异步提交； QAT访问层通过异步API提交加密请求后， 相应协程主动暂停 自身的执行， 由应用层调度下一个同态加密任务； 在异步提交的任务数目达到QAT实例所能承受的上限之前， 应用层主动对QAT实例进行 轮询， 以获取到加密结。

4、果； 之后， QAT用户态驱动调用预设的回调函数； 回调函数根据与加密 结果相关联的协程句柄， 直接重入到相应的协程， 继续执行后续处理过程； 后续处理完成后 结束相应的协程。 2.根据权利要求1所述的一种基于Intel QAT的同态加密卸载方法， 其特征在于， 在协程中如果对应的同态加密任务涉及到多次不相关的大数模幂运算， 在进行最后一 次大数模幂运算之前， 每遇到一次大数模幂运算再生成一个新的协程， 新协程所做的仅仅 是封装大数模幂运算进行QAT任务提交， 在新协程提交QAT任务之后将控制权返还原协程。 3.根据权利要求1所述的一种基于Intel QAT的同态加密卸载方法， 其特征在于， 。

5、后续 处理包括软件栈中每一层相关的后续处理， 对于QAT访问层而言是加密数据类型的转换与 数据包装， 对于同态加密库而言是进一步的加密过程处理， 对于应用层而言是包括写加密 数据在内的后续处理。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111538582 A 2 基于Intel QAT的同态加密卸载方法 技术领域 0001 本发明涉及密码学同态加密技术领域， 尤其涉及一种基于Intel QAT的同态加密 卸载方法。 背景技术 0002 QAT(QuickAssist Technology)是Intel公司针对加/解密任务以及压缩/解压缩 任务推出的一款专用加速硬件(ASIC)。 QAT封装了常规的加。

6、密算法(如RSA、 AES、 ECC算法)和 常规的压缩算法(如Deflate算法)， 为调用这些算法提供了方便易用的编程接口。 目前， 基 于QAT已经有了富有成效的工作， 但这些工作大都局限于常规加密和数据压缩领域。 QAT提 供了一个大数模幂运算接口， 可兼容几个主流的基于模幂运算的半同态加密方案， 如 Paillier加密方案、 ElGamal加密方案等。 但该接口只是一个未经封装的低层调用接口， 目 前利用这个接口实现同态加密的工作只是进行了简单的卸载实现， 效率低下， 而且没有考 虑对应用层进行异步支持。 0003 利用QAT卸载加密运算的最直接方法是将加密函数库中的加密函数替换成。

7、对QAT 加密运算接口的同步调用， 这也是已有工作的方法， 这样上层应用几乎不需要修改， 但是这 种卸载方式的性能很低。 这是因为在一般的软件加密方案中， 对加密函数的调用是一个同 步的阻塞调用， 通过调用CPU资源进行加密运算， 在加密阻塞操作完成之前应用层软件与加 密库都不能进行后续操作。 这种设计在只有CPU参与计算的情况下是合理的， 但在上述卸载 模式下会导致CPU和QAT的串行执行， QAT的利用率很低。 一种可能的解决方法是开启大量线 程进行同步调用， 以此增大QAT的负载， 并隐藏每个线程的卸载I/O开销， 已有工作同样使用 了该方法。 但是随着大量线程的引入， 线程间切换的开销。

8、急剧增加， 成为限制系统性能的重 要因素。 发明内容 0004 本发明的目的是提供一种基于Intel QAT的同态加密卸载方法， 可以实现同态加 密在QAT上的高效异步卸载， 以克服简单同步方式卸载的上述缺陷， 使得CPU和QAT算力得到 充分发挥， 增强同态加密任务的并行性， 缩短同态加密任务运行时延， 提高系统同态加密的 吞吐量。 0005 本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 0006 一种基于Intel QAT的同态加密卸载方法， 包括： 0007 在QAT用户态驱动以上搭建软件栈， 软件栈从下往上为QAT访问层、 同态加密库、 应 用层三个层次； 0008 每一个同态加密任务在应用。

9、层被封装为协程， 协程根据参数获取待加密的数据， 然后调用同态加密库， 实现应用层同态加密； 同态加密库负责同态加密算法的实现， 并调用 QAT访问层进行任务的异步提交； QAT访问层通过异步API提交加密请求后， 相应协程主动暂 停自身的执行， 由应用层调度下一个同态加密任务； 说明书 1/6 页 3 CN 111538582 A 3 0009 在异步提交的任务数目达到QAT实例所能承受的上限之前， 应用层主动对QAT实例 进行轮询， 以获取到加密结果； 之后， QAT用户态驱动调用预设的回调函数； 回调函数根据与 加密结果相关联的协程句柄， 直接重入到相应的协程， 继续执行后续处理过程； 。

10、后续处理完 成后结束相应的协程。 0010 由上述本发明提供的技术方案可以看出， 通过将每一个同态加密任务封装为一个 协程， 以协程来进行加密任务提交的方式实现了加密任务的异步卸载， 应用协程方式实现 了在极低调度开销的情况下的大批量加密任务的高效异步卸载， 与单线程同步方式相比， 发挥了QAT的全部算力， 同时CPU也不因同步提交QAT任务而被阻塞； 与多线程同步方式相 比， 避免了大量线程切换产生的开销， 在保证QAT高效利用的同时， 减少了CPU的占用； 同时， 获取任务完成结果使用轮询方法而不是中断方法， 是为了避免大批量任务中断时频繁的陷 入内核而产生过高的开销， 在大批量任务处理时。

11、使用轮询更为高效； 此外， 通过预先设置给 回调函数的协程句柄， 可以方便的重新进入之前未完成的加密任务中， 实现加密结果获取 之后的其他处理。 附图说明 0011 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案， 下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本 领域的普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他 附图。 0012 图1为本发明实施例提供的一种基于Intel QAT的同态加密卸载方法的软件栈示 意图； 0013 图2为本发明实施例提供的任务封装与提交流程示意图； 0014 图3为本发。

12、明实施例提供的轮询与异步协程重入流程示意图； 0015 图4为本发明实施例提供的后处理流程示意图。 具体实施方式 0016 下面结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整 地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本 发明的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例， 都属于本发明的保护范围。 0017 本发明实施例提供一种基于Intel QAT的同态加密卸载方法， 该方法首先在QAT用 户态驱动以上搭建软件栈， 软件栈从下往上为QAT访问层、 同态加密库、 应用层三个层次； 然 后， 。

13、执行如下三个步骤： 0018 第一步： 任务封装与提交。 0019 每一个同态加密任务在应用层被封装为协程， 协程根据参数获取待加密的数据， 然后调用同态加密库， 实现应用层同态加密； 同态加密库负责同态加密算法的实现， 并调用 QAT访问层进行任务的异步提交； QAT访问层通过异步API提交加密请求后， 相应协程主动暂 停自身的执行， 由应用层调度下一个同态加密任务。 0020 在协程中如果对应的同态加密任务涉及到多次不相关的大数模幂运算， 在进行最 说明书 2/6 页 4 CN 111538582 A 4 后一次大数模幂运算之前， 每遇到一次大数模幂运算再生成一个新的协程， 新协程所做的 。

14、仅仅是封装大数模幂运算进行QAT任务提交， 在新协程提交QAT任务之后将控制权返还原协 程。 当一次加密运算中涉及通过多个协程来提交QAT任务时， 这些任务需要通过同一个QAT 实例(QAT Instance)提交给QAT。 0021 本发明实施例中， 通过将每一个同态加密任务封装为一个协程， 以协程来进行加 密任务提交的方式实现了加密任务的异步卸载。 协程是用户态线程， 以协作方式进行调度， 并且调度也在用户态完成， 从而避免了切换内核的开销， 因此比内核态线程开销小。 协程的 最大优点是可以在任意位置中断， 让出CPU， 调度另一个协程运行， 并可以在任意时间重入 协程， 直接从上次退出的。

15、执行点继续向下执行。 该特性使得协程提供了一种自然的异步调 用方式。 因此本发明应用协程方式实现了在极低调度开销的情况下的大批量加密任务的高 效异步卸载， 与单线程同步方式相比， 发挥了QAT的全部算力， 同时CPU也不因同步提交QAT 任务而被阻塞； 与多线程同步方式相比， 避免了大量线程切换产生的开销， 在保证QAT高效 利用的同时， 减少了CPU的占用。 0022 本发明实施例中， 出于单次同态加密延时的考虑， 还采用了在协程里内嵌协程的 优化。 根据同态加密算法， 一次同态加密有时需要进行多次大数模幂运算， 即需要进行多次 QAT卸载。 以两次大数模幂运算为例， 来说明在协程里内嵌协程。

16、是如何降低同态加密的延时 的： 在简单方案中， 两次大数模幂运算集成在一个协程/加密任务中， 先通过协程提交第一 次大数模幂运算请求， 在第一次轮询回调中重入该协程提交第二次大数模幂运算请求， 然 后在第二次轮询回调中才能完成该次同态加密， 这样两次异步卸载是完全串行的； 考虑到 大批量加密任务的并发提交， 其单次加密的延时显著增加； 然而事实上， 同态加密的两次大 数模幂运算之间并没有关系， 可以并行实现； 本发明将两次大数模幂运算解耦， 作为两个协 程来实现， 第一个协程包装第一个大数模幂运算的提交， 第二个协程包装第二个大数模幂 运算的提交及整个同态加密的后续处理， 按顺序依次提交这两个。

17、协程； 两次大数模幂运算 的并行处理可有效减少单次同态加密的延时； 而两次协程中提交QAT任务需要提交给同一 个QAT实例是为了保证第二次模幂结果获取之后， 进行后处理时第一个模幂结果已经取得， 这样第二次模幂运算的后处理过程中即可以使用两次模幂运算的结果来获得最后的加密 结果； 这是因为在同一个QAT实例下QAT的运行机制总是先提交的任务先取得结果， 而如果 通过不同QAT实例来提交任务则不能保证先提交的先获取结果， 这样就会导致第二次模幂 结果获取后需要进行后处理整合两次模幂结果时第一次模幂结果还没有获取的情况。 当一 次同态加密需要进行两次以上的无相关大数模幂运算时可以此类推。 0023。

18、 第二步、 轮询与异步协程重入 0024 在异步提交的任务数目达到QAT实例所能承受的上限之前， 应用层主动对QAT实例 进行轮询， 以获取到加密结果； 之后， QAT用户态驱动调用预设的回调函数； 回调函数根据与 加密结果相关联的协程句柄， 直接重入到相应的协程， 继续执行后续处理过程。 后续处理完 成后结束相应的协程。 0025 本发明实施例中， 获取任务完成结果使用轮询方法而不是中断方法， 是为了避免 大批量任务中断时频繁的陷入内核而产生过高的开销， 在大批量任务处理时使用轮询更为 高效。 0026 第三步、 后处理。 说明书 3/6 页 5 CN 111538582 A 5 0027 。

19、后续处理包括软件栈中每一层相关的后续处理， 对于QAT访问层而言是加密数据 类型的转换与数据包装， 对于同态加密库而言是进一步的加密过程处理， 对于应用层而言 是包括写加密数据在内的后续处理。 0028 本发明实施例中， 通过预先设置给回调函数的协程句柄， 可以方便的重新进入之 前未完成的加密任务中， 实现加密结果获取之后的其他处理。 0029 为了便于理解， 下面结合附图与具体示例对本发明做进一步介绍。 0030 本示例中， 以Paillier同态加密方案为例来阐述基于Intel QAT的同态加密卸载 方法。 0031 先搭建如下软件栈： 在QAT用户态驱动以上， 软件栈从下往上分为QAT访。

20、问层、 同态 加密库、 应用层三个层次； QAT访问层负责与QAT驱动进行交互， 实现数据格式转换、 数据封 装和提交请求； 同态加密库负责同态加密算法的实现并调用QAT访问层进行QAT任务的异步 提交； 应用层将每一次同态加密任务封装为一个协程fibre并调用同态加密库提供的接口 实现应用层同态加密的需求。 0032 图1给出了本发明基于Intel QAT的同态加密卸载方法需要的软件栈。 图中软件栈 在QAT用户态驱动之上， 从下往上分别是QAT访问层同态加密库和应用层在本例 中同态加密库需要实现Paillier加密逻辑， 而应用层需要应用Paillier加密方法进行 大量数据的同态加密； 。

21、图中带箭头线段代表软件栈中各层之间的调用关系， 实线与虚线是 为了区别应用层中的加密任务1和加密任务2(应用层的加密需求被封装为加密任务1、 加密 任务2加密任务n)； 图中应用层首先调用同态加密库同态加密库将加密请求提 交给QAT访问层最后QAT访问层通过QAT API将加密任务卸载给QAT用户态驱动 0033 在上述搭建的软件栈基础上， 本发明基于Intel QAT的同态加密卸载方法， 具体包 括以下步骤： 0034 第一步： 任务封装与提交 0035 图2给出了任务封装与提交流程示意图， 图中带箭头的线段代表流程中的每一个 小的过程(图3、 图4亦同)， 实线与虚线分别代表两个不同加密任。

22、务/协程： 加密任务1/协程1 和加密任务2/协程2的流程(图4亦同)。 在本示例中， 应用层的需求是要以Paillier同态 加密方法来加密大批量的数据。 下面以加密任务1为例来阐述处理流程。 0036 首先将Paillier加密任务1封装为协程1过程， 协程内有三个步骤： 根据参数读 取明文数据， 调用同态加密库API来加密数据， 将密文数据写到指定位置。 然后调用该协 程。 0037协程1在读取明文数据之后， 开始调用同态加密库API进行数据加密过程。 在 本示例中， 选用libhcs库作为同态加密库来实现基本Paillier加密逻辑。 libhcs同态加 密库基于GMP库实现大数运算，。

23、 将其对GMP库的大数模幂运算接口的调用替换为对QAT访 问层的相关调用。 考虑到Paillier同态加密过程涉及两次无相关的大数模幂运算， 在碰 到第一次大数模幂运算时在协程1内另起一个新协程专门提交这一次运算， 提交完成之后 新协程返回到协程1中， 在协程1中继续提交第二次大数模幂运算。 0038同态加密库通过相关调用将加密请求提交给QAT访问层过程。 前文提到 libhcs库调用GMP库来实现大数相关运算， 其内部所有数据皆以GMP中mpz_t格式存储， 需要 说明书 4/6 页 6 CN 111538582 A 6 通过GMP提供的相关函数将mpz_t格式转换为QAT驱动所能接受的Cp。

24、aFlatBuffer格式， 最后 通过QAT的大数模幂运算接口cpaCyLnModExp， 以非阻塞加密API的方式来异步卸载任务给 QAT用户态驱动过程， 后面QAT用户态驱动将请求提交给QAT实例由QAT实例与QAT 硬件即QAT加密引擎进行交互， 注意在调用cpaCyLnModExp接口时需要将当前协程1的句 柄作为回调函数参数传递给cpaCyLnModExp。 异步提交了大数模幂任务给QAT用户态驱动 后， 协程1马上通过相关调用暂停自己的执行(暂停当前协程)， 将控制权返回给应用层过 程， 以继续提交下一个加密任务/协程： 加密任务2/协程2(调用下一个协程)。 0039 第二步：。

25、 轮询与异步协程重入 0040 图3为轮询与异步协程重入流程示意图， 左边是轮询过程， 按一定频率对QAT实例 进行轮询； 右边是异步协程重入的过程， 完成之后便重入就绪协程。 优选的， 本示例中， 在每 提交了10个同态加密任务之后， 在应用层通过QAT用户态驱动中icp_sal_ CyPollInstance接口向相应QAT实例轮询新的加密结果过程， 当轮询发现QAT实例中 存在新的响应， 即存在大数模幂运算结果时， QAT用户态驱动会调用预先传递给 cpaCyLnModExp接口的回调函数过程， 并将相应协程句柄传递给回调函数， 在回调函数中 重入就绪协程过程。 0041 第三步： 后处。

26、理 0042 图4为后处理流程示意图。 每一个协程的后处理流程相同， 此处首先以协程1为例。 重入协程1时， 协程1会在QAT访问层被唤醒过程， 此时协程1中已经取得QAT运算结果， 可以执行后续操作。 在QAT访问层中， 将CpaFlatBuffer格式的运算结果重新转换为mpz_t 格式返回到同态加密库libhcs中过程。 以两次大数模幂运算为例， 如果协程1封装的是 Paillier加密中的第一次大数模幂运算， 则协程1的所有后处理到这里即已完成； 如果协程 1封装的是整体同态加密任务， 即提交的是Paillier加密过程中的第二次大数模幂运算， 则 在得到第二次模幂运算的结果时， 第一。

27、次模幂运算的结果也已经取得， 同态加密库会实 现两次运算结果的整合得到Paillier加密的最终结果， 此时同态加密库后处理即已完 成， 在这之后还需要进入应用层过程进行应用层的后处理。 应用层执行后处理时 密文结果已经取得， 需要做的就是将密文写入指定内存位置。 至此所有后处理完成， 协程1 将控制权返还给调用回调函数的用户态驱动中并结束当前协程， 继续下一个轮询结果的 处理， 即开始协程2的重入与后处理过程。 0043 在本实施例中， 由基于Intel QAT的同态加密卸载方法， 通过将每一次Paillier加 密过程封装为一个协程来实现加密任务的高效QAT异步卸载， 在增强系统同态加密卸。

28、载过 程的并发性， 提高系统吞吐量的同时， 通过嵌套协程提交无关大数模幂运算任务的方式还 进一步降低了单次同态加密的延时。 对于由CPU和QAT组成的异构系统整体而言， 异步方式 还避免了CPU的无效阻塞， CPU因而可以去做更多的运算， 最终CPU与QAT的算力都得到了充 分应用。 0044 通过以上的实施方式的描述， 本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例通 过软件加QAT专用硬件的方式实现。 基于这样的理解， 上述实施例的技术方案可以以软件产 品的形式体现出来， 该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM， U盘， 移 说明书 5/6 页 7 CN 11153858。

29、2 A 7 动硬盘等)中， 包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机， 服务器， 或者网 络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。 0045 以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此， 本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。 说明书 6/6 页 8 CN 111538582 A 8 图1 图2 说明书附图 1/2 页 9 CN 111538582 A 9 图3 图4 说明书附图 2/2 页 10 CN 111538582 A 10 。