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基于OpenCL异构计算的数据协调系统设计.docx
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基于OpenCL异构计算的数据协调系统设计.docx
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目 录
中 文 摘 要..........................................................................................................................I
ABSTRACT........................................................................................................................III
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
1.1 经典密码通信体系.................................................................................................1
1.2 量子密码通信体系.................................................................................................1
1.3 CVQKD 国内外研究状况.......................................................................................2
1.4 论文章节内容简介..................................................................................................3
第二章 CVQKD 数据协调概述...........................................................................................5
2.1 连续变量量子密钥分发.........................................................................................5
2.2 CVQKD 数据协调方案...........................................................................................6
2.2.1 CV-QKD 的逆向数据协调理论模型 ...........................................................6
2.2.2 SEC 协调方案 ...............................................................................................7
2.2.2 多维数据协调...............................................................................................9
2.3 LDPC 码.................................................................................................................10
2.3.1 LDPC 码的表示...........................................................................................10
2.3.2 校验矩阵的构造.........................................................................................12
2.3.3 LDPC 码的置信传播译码算法...................................................................13
2.4 本章小结...............................................................................................................13
第三章 OpenCL 异构平台及其编程框架 .........................................................................15
3.1 OpenCL 介绍 .........................................................................................................15
3.2 常用异构设平台...................................................................................................16
3.2.1 CPU/GPU.....................................................................................................16
3.2.2 CPU/FPGA...................................................................................................17
3.3 环境安装...............................................................................................................18
3.3.1 GPU 的 OpenCL 项目配置 .........................................................................18
3.3.2 FPGA 的 OpenCL 项目配置.......................................................................19
3.4 OpenCL 程序运行机制 .........................................................................................24
3.4.1 CPU 执行部分 .............................................................................................24
3.4.2 OpenCL 设备执行部分 ...............................................................................25
3.5 本章小结................................................................................................................26
第四章 CVQKD 数据协调加速方案.................................................................................29
4.1 基于 SEC 协议的异构数据协调 .........................................................................29
4.1.1 基于 SEC 协议的异构计算方案 ...............................................................29
4.1.2 静态交叉双向循环链表的数据结构.........................................................33
4.1.3 实验结果分析.............................................................................................36
4.2 基于多维数据协调的异构计算方案...................................................................40
4.2.1. 安全性分析................................................................................................40
4.2.3 仿真结果.....................................................................................................42
4.3 并行算法复杂度分析...........................................................................................44
4.4 本章小结...............................................................................................................44
第五章 总结与展望...........................................................................................................47
5.1 本文工作与总结...................................................................................................47
5.2 进一步研究内容...................................................................................................47
参考文献.............................................................................................................................49
攻读学位期间取得的研究成果.........................................................................................53
致谢.....................................................................................................................................54
个人简况及联系方式.........................................................................................................55
承诺书.................................................................................................................................56
学位论文使用授权声明.....................................................................................................57
Contents
Chinese Abstract ..................................................................................................................I
ABSTRACT .......................................................................................................................III
Chapter 1 Introduction.......................................................................................................1
1.1 Classic cryptographic communication system .........................................................1
1.2 Quantum cryptographic communication system......................................................1
1.3 CVQKD research status at home and abroad...........................................................2
1.4 Introduction to the content of the thesis chapter ......................................................3
Chapter 2 Overview of CVQKD Data Reconciliation .....................................................5
2.1 Continuous Variable Quantum Key Distribution.....................................................5
2.2 CVQKD data coordination scheme..........................................................................6
2.2.1 CV-QKD reverse data reconciliation theory model.......................................6
2.2.2 SEC Reconciliation scheme ...........................................................................7
2.2.2 Multidimensional Data Reconciliation...........................................................9
2.3 LDPC Codes...........................................................................................................10
2.3.1 Representation of LDPC Codes ...................................................................10
2.3.2 Construction of Check Matrix......................................................................12
2.3.3 Confidence Propagation and Decoding Algorithm for LDPC Codes ..........13
2.4 Chapter Summary...................................................................................................13
Chapter 3 OpenCL Heterogeneous Platform and Its Programming Framework ......15
3.1 Introduction to OpenCL .........................................................................................15
3.2 Common Heterogeneous Design Platforms ...........................................................16
3.2.1 CPU/GPU.....................................................................................................16
3.2.2 CPU/FPGA...................................................................................................17
3.3 Environmental Installation .....................................................................................18
3.3.1 GPU OpenCL Project Configuration ...........................................................18
3.3.2 FPGA OpenCL Project Configuration .........................................................19
3.4 OpenCL Program Operation Mechanism...............................................................24
3.4.1 CPU execution section .................................................................................24
3.4.2 OpenCL Device Execution Part ...................................................................25
3.5 Chapter Summary...................................................................................................26
Chapter 4 CVQKD data reconciliation acceleration scheme........................................29
4.1 Heterogeneous data reconciliation based on the SEC protocol..............................29
4.1.1 Heterogeneous Computing Scheme Based on SEC Protocol.......................29
4.1.2 Data Structure of Static Cross-Doubly Circular List ...................................33
4.1.3 Analysis of Experimental Results ................................................................36
4.2 Heterogeneous Computing Schemes Based on Multidimensional Data
Reconciliation...............................................................................................................40
4.2.1. Security Analysis.........................................................................................40
4.2.3 Simulation results.........................................................................................42
4.3 Complexity Analysis of Parallel Algorithms .........................................................44
4.4 Chapter Summary...................................................................................................44
Chapter 5 Summary and Prospect ..................................................................................47
5.1 Work and Summary of This Paper.........................................................................47
5.2 Further research content.........................................................................................47
References ..........................................................................................................................49
Research results achieved during the degree Study.......................................................53
Acknowledgements............................................................................................................54
Personal profile and contact information .......................................................................55
Letter of Commitment ......................................................................................................56
Dissertation Authorization Statement.............................................................................57
I
中 文 摘 要
近年来,计算机技术得到了飞速发展,信息的安全保障越来越被重视,量子通
信成为社会关注的焦点。量子通信过程中任何窃听行为都会对量子密钥产生扰动,
基于量子不可克隆定理、海森堡测不准原理,通信双方会及时发现并采用有效措施,
从 而 保 证 了 量 子 通 信 体 系 的 无 条 件 安 全 性 。 量 子 密 钥 分 发 ( Quantum Key
Distribution,QKD)作为量子通信的重要分支,广泛受到人们的关注。QKD 分为两
种 , 连 续 变 量 量 子 密 钥 分 发 ( Continuous Variable Quantum Key Distribution ,
CVQKD)和离散变量量子密钥分发(Discrete Variable Quantum Key Distribution,
DVQKD)。CVQKD 相比 DVQKD,制备简单、成本较低,因而被越来越多的国内外
学者所关注。
但是,相比 DVQKD,当前的 CVQKD 的传输距离较短,数据协调作为 CVQKD
的后处理对上述问题的解决具有关键意义。本文针对当前 CVQKD 协调速率低问题,
对加速协调速率做了以下工作:
1.为了使 OpenCL(Open Computing Language)的内核函数的参数符合 OpenCL
规范,设计了静态交叉双向循环链表存储大规模稀疏校验矩阵,极大地降低了空间
复杂度,实现了稀疏矩阵的一维线性表示,为链表式结构并行式计算提供了范例。
2. 实现了基于 OpenCL/GPU 异构平台的多维数据协调算法。采用 NVIDIA Tesla
K40C 作为 GPU 设备,使用 OpenCL 以及 C/C++语言进行代码仿真,实现了基于
CPU/GPU 数据协调加速方案。并与原 CPU 的串行译码速率进行比较分析。
3. 实现了基于 OpenCL/FPGA 异构平台的多维数据协调算法。采用 DE5a-Net 开
发板作为 FPGA 异构平台,同样地,利用 2 中的 GPU 代码进行结构优化,使之能够
在 FPGA 开发板上顺利实现。并将结果与 CPU/GPU、CPU 的协调速率进行比较,分
析优劣。
通过对比实验结果,得出以下结论。1)本实验基于 OpenCL/GPU 的异构数据协
调系统,SEC 协调算法可以产生 146kb/s 的原始密钥速率,多维数据协调实现了
218.2kb/s 的协调速率。与单纯的 CPU 实现相比,速度分别提高了近 7.4 倍和 11 倍。
2)由于缺乏对 FPGA 流水线任务并行的熟悉,只是实现了 GPU 异构代码的简单移,
而导致了本次实验 SEC 以及多维数据协调系统在 OpenCL/FPGA 异构平台下的速率
低下,分别为 14kb/s 和 29.3kb/s,计算速度的提升仍需实验室继续探索。
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南抖北快东卫
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