1. 引言
密碼技術是保護網絡與信息系統安全的核心技術，已經廣泛應用到金融、能源、通信、交通、水利等各行各業，為國家安全和經濟發展發揮重要作用。商用密碼應用安全性評估（簡稱密評），是指在釆用商用密碼技術、產品和服務集成建設的網絡和信息系統中對密碼應用的合規性、正確性和有效性等進行評估。對信息系統開展密評是規范密碼應用、維護網絡空間安全的基本要求，同時又可促進國產密碼在各個行業的廣泛應用。
隨著應用場景的多元化，對密碼算法的性能及安全性需求提出了不同要求，尤其是應用最為廣泛的SM4密碼算法。例如，網絡和通信安全需要采用密碼技術對通信過程中的敏感數據做機密性保護，這對SM4算法高性能實現提出了具體需求，否則會對系統的性能造成較明顯的損耗，影響網絡通信能力。另一方面，多路視頻高清和超高清監控數據需要超高性能的密碼算法進行保護，否則可能影響方案的可實施性。此外，還有很多行業對加密存儲提出了高性能需求。近些年來Intel、AMD等處理器廠商紛紛宣布在其處理器上推出用于AES加解密的AES-NI指令集，這使得采用AES-NI指令集實現AES算法的性能得到進一步提升。目前SM4算法性能與AES算法相比有一定差距，特別是與AES-NI加速指令的差距更加明顯，若不盡快補齊性能短板，必將影響國密算法的廣泛應用。
2. SM4算法實現介紹
SM4分組密碼算法是我國的商用分組密碼算法，分組長度為128比特，密鑰長度也是128比特，加密算法與密鑰擴展算法都采用32輪廣義Feistel結構進行迭代，解密算法與加密算法的結構相同，只是輪密鑰的使用順序相反。
為了高效地實現SM4算法，國內外眾多學者提出了多種軟硬件工程實現思路。早期的SM4軟件實現方法僅限于查表實現，但因SM4算法架構等因素，其查表實現的性能明顯低于AES算法。國內外許多學者嘗試采用SIMD技術應用到密碼算法的軟件快速實現中，例如SSE指令集、AVX指令集等。SIMD可實現一條指令操作多個數據，是CPU基本指令集的擴展，用于提供數據的并行操作，如數字圖像處理。學者們將SSE指令與比特切片等技術應用到密碼算法以提高算法的實現性能。中科院軟件所[1]利用SIMD技術優化實現SM4算法，該方法相比于查表方法，其軟件實現性能可以提高85%至138%。北航軟件開發環境國家重點實驗室 [2]簡化S盒，采用比特切片技術，結合AVX指令實現SM4算法的256個分組并行加解密，實現效率提高了43%。2014年，Intel公司[3]提出了基于AES-NI指令集實現SM4的專利，2017年，道里云公司[4]也公開發表了使用AES-NI指令集實現SM4的另一種方案。
另外，也有借助硬件GPU進行SM4加速實現的方案。北京電科院[5]通過研究最優明文數據塊、GPU存儲類型和線程塊對SM4加密的加速比，提出GPU并行SM4加解密方案，將性能提升到25倍左右。中國工業控制系統網絡應急響應小組[6]利用CUDA提出了SM4的CPU-GPU方案，并引入頁鎖內存和CUDA流方案使得SM4的速度提升到88倍左右。以上兩篇文章都指出，當明文數據塊較小時（如小于8KB），由于CPU和GPU之間的數據交互傳輸耗時以及小數據包時GPU無法調用全部的計算單元參與運算，使得GPU方案的效率可能不升反降，因此應用場景有一定的局限性。此外，GPU本身的性能也與加速效果強相關。
3. 10Gb每秒！海泰的新篇章！
作為一家以密碼為基因、以創新為驅動的企業，海泰方圓持續重視研發投入，2022年，公司研發中心和技術體系啟新，全新的“密碼技術融合創新中心”和“數據智能安全工程中心”隆重啟用。公司以密碼技術融合創新中心為依托，加速布局密碼業務，深化技術創新研究，深耕國密算法高性能實現，基于國內外研究成果進行SM4的軟件高性能實現研究。
圖1 海泰密碼技術融合創新中心和數據智能安全工程中心成立
重點針對CPU流水線和不同類型的SIMD的深入理解和分析，結合SSE、AVX指令集的并行化實現特點以及對SM4性能優化的改善程度，剖析不同工作模式的可并行性以及對并行加解密性能的改善情況，設計出高性能的SM4并行實現方法。此外，設計的SM4高性能實現自適應匹配技術以及內置智能最優解方案模塊，可根據監測的CPU架構特征自適應地匹配符合CPU特征的高性能加解密方案，自動快速搜尋局部最優解，使得加解密性能達盡可能達到局部最優。該方案已部署在SM4算法的五種常見工作模式中，在英特爾十一代I5處理器上優化部署后的SM4軟件高性能實現方案性能從原有的3.54Gbps（百萬比特每秒）提升至7.36Gbps，性能為原方案的2.08倍；在英特爾的十一代I7處理器上進行單線程性能測試，ECB模式的加密和解密速度達到10 Gbps，CTR模式的加解和解密性能不低于9 Gbps，CBC模式和CFB模式的解密性能也都超過9 Gbps，如下圖。
圖2 海泰SM4高性能密碼實現方案的性能
SM4實現方案除了已經支持上述五種常見工作模式之外，其它更多的工作模式也正在全力支持中。此外，在海泰的密碼技術融合創新中心，SM4算法高性能實現還在進行持續迭代，多種模式的實驗室測試數據均在10 Gbps以上。
4. 高性能SM4的應用
在大數據時代，海量數據需要進行安全防護，隨著技術的迭代，多種新型存儲技術快速發展，傳統150MB/s（百萬字節每秒）左右存儲速度的HDD硬盤已經開始逐漸向更加快速的可達到500MB/s的固態硬盤SSD存儲技術轉變，甚至PCIe/M.2 SSD的速度范圍可以達到1.0GB/s到2.0GB/s。這使得存儲技術已不再是制約海量數據安全存儲的短板了，而SM4密碼算法傳統的軟件實現方案不足1Gbps（125MB/s），即使高性能硬件加密卡的4Gbps（500MB/s）的加解密速度也只能剛好與普通SSD的性能持平。以上數字都清晰地指出SM4加解密速度已經成為海量數據安全存儲的瓶頸，嚴重制約商密算法的應用，特別是在海量數據安全存儲等應用場景。因此，市場迫切需要更高效的SM4算法，避免將國密算法置入性能瓶頸的尷尬之地。
海泰SM4算法的高性能實現，使得單線程的加解密速度可達到10Gbps（1.25GB/s），多線程可達到100Gbps以上，這使得海量數據的安全存儲和安全“閃”存得以實現。
此外，幾乎所有的數據密集型應用場景都將是海泰高性能SM4算法大顯身手之處。當前，移動應用、AI應用、AR/VR、云手機、物聯網、車聯網等新型應用、智能物聯網應用爆發式增長，更加多樣化的算力產生在云上，提供個性化服務，改變人們的生活，這些應用場景要求簡化現有IT基礎架構，優化服務器資源利用率，提高系統可用性，這是海泰密碼技術賦能高質量密碼供給，確保數據安全的重要應用領域。
與此同時，海泰高性能SM4也與相關密碼產品進行對接集成，支持更多的密碼產品，為更多的安全產品賦能更高性能的國密算法實現，提供更加完善的安全功能，為云計算、大數據、物聯網、移動互聯、工業控制、人工智能等領域提供更加完善的安全服務。
5. 總結與展望
如今，海泰正全面開展國產密碼算法系列的高性能實現，不僅進一步優化SM4算法性能，還在進行SM3算法、SM2算法、SM9算法、ZUC算法的高性能實現，將商密算法的高性能實現延展到國產化平臺，助力國產化安全。
