一種AES密碼算法的硬件實(shí)現(xiàn)
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2．2 控制模塊的設(shè)計(jì)
控制模塊的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)加／解密運(yùn)算模塊與密鑰擴(kuò)展模塊工作的啟動?？刂颇K在時(shí)鐘脈沖控制下，產(chǎn)生控制加／解密模塊中字節(jié)替代、行移位、列混合、密鑰加各部分工作信號?？捎?個兩狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。當(dāng)新的數(shù)據(jù)或密鑰輸入時(shí)，通過狀態(tài)機(jī)的信號可判斷上次加／解密運(yùn)算是否完成。如果狀態(tài)機(jī)信號處于忙狀態(tài)，說明加解密運(yùn)算正在進(jìn)行，需要等待；如果信號處于空閑狀態(tài)，說明加解密運(yùn)算已經(jīng)完成，可以啟動加解密運(yùn)算模塊與密鑰擴(kuò)展模塊，將數(shù)據(jù)和密鑰分別輸入到加解密運(yùn)算模塊與密鑰擴(kuò)展模塊中，開始新一組數(shù)據(jù)的加解密運(yùn)算。
2．3 加解密運(yùn)算模塊的設(shè)計(jì)
AES算法的輪變換特點(diǎn)使之在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有多種方式：串行方式，輪變換可采用組合邏輯實(shí)現(xiàn)；在10輪迭代過程中，前一輪結(jié)果可直接作為下一輪的輸入；并在1個周期內(nèi)完成1個分組運(yùn)算，使吞吐量達(dá)到最佳狀態(tài)。但需要大量的存儲器資源和組合邏輯資源支持，一般的FP-GA芯片難以滿足容量的需求，而且時(shí)鐘頻率非常低；基本迭代反饋方式，所有迭代只用1個輪變換模塊，10個時(shí)鐘周期完成1個分組運(yùn)算，資源占用較少；輪內(nèi)流水線方式，在輪變換中插入寄存器，將每輪運(yùn)算分成多個操作段，每個時(shí)鐘完成1個操作段，其優(yōu)點(diǎn)是可以提高算法運(yùn)行的時(shí)鐘頻率。但輪內(nèi)各級流水部件不能同時(shí)執(zhí)行，因此增加了算法運(yùn)行的時(shí)鐘數(shù)目。輪內(nèi)流水線級數(shù)越多，時(shí)鐘數(shù)目也越多，雖然算法仿真頻率可以達(dá)到很高，但吞吐量并沒有明顯提高。
綜上比較可知，本文AES算法的硬件實(shí)現(xiàn)的目的是盡量減少資源的占用，使面積盡可能減小。故采用基本迭代反饋工作方式設(shè)計(jì)。
2．3．1 SubBytes()和InvSubBytes()的設(shè)計(jì)
字節(jié)代替是整個AES硬件實(shí)現(xiàn)中最為重要的變換，在加解密運(yùn)算模塊及密鑰擴(kuò)展模塊中字節(jié)代替是主要的運(yùn)算過程。因此，字節(jié)代替的硬件設(shè)計(jì)決定了整個AES算法硬件實(shí)現(xiàn)的速度和面積。字節(jié)代替可以通過查找表和算術(shù)運(yùn)算的方式得到。傳統(tǒng)的AES算法使用查找表方法實(shí)現(xiàn)字節(jié)代替，可以提高求逆速度，但由于該變換輸入的數(shù)據(jù)為8位，加密和解密所用的替換字節(jié)表不同，因此需要的選擇器和寄存器數(shù)量較多，硬件實(shí)現(xiàn)面積較大，故主要用于高速AES的實(shí)現(xiàn)。算術(shù)運(yùn)算的方式在硬件設(shè)計(jì)上表現(xiàn)為組合邏輯，采用算術(shù)運(yùn)算的方式實(shí)現(xiàn)則會降低硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，減小面積。
2．3．2 ShiftRows()和InvShiftRows()的設(shè)計(jì)
行移位變換作用在中間態(tài)的行上，將狀態(tài)中的行按不同的偏移量進(jìn)行循環(huán)移位。加密運(yùn)算中間態(tài)的0～3行，分別向右循環(huán)移動O，1，2，3個字節(jié)。該操作僅是將數(shù)據(jù)按字節(jié)進(jìn)行移動，硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)只需在布線上進(jìn)行調(diào)整，基本不占硬件資源。
解密過程只是行移位的逆變換，即分別向左循環(huán)移動0，1，2，3個字節(jié)。同樣，該操作也僅將數(shù)據(jù)按字節(jié)移動。如果有字節(jié)的位置改變，只需在布線上進(jìn)行修改。
2．3．3 MixColumns()和InvMixColumns()的設(shè)計(jì)
MixColumns()變換以矩陣中的列為單位，將每列看作一個GF(28)域上的四階多項(xiàng)式，將多項(xiàng)式乘以c(x)／d(x)并對x4+1取模。其中c(x)為：
在相應(yīng)的解密過程中：
同樣對
取模。為了降低整個模塊的復(fù)雜度，考慮將加解密運(yùn)算中列混合變換的部分電路進(jìn)行復(fù)用，對比加解密運(yùn)算所乘的多項(xiàng)式，可以發(fā)現(xiàn){03}x可以用
表示，同理：
這樣：
由于
，式(8)只需要4個異或門就可實(shí)現(xiàn)。將該單元記為xtime()函數(shù)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。加密時(shí)所取的系數(shù)較小{01，02，03}，所以只需經(jīng)過一次xtime()單元，便將乘法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為移位操作和加法運(yùn)算的復(fù)合。本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/187767.htm
而解密時(shí)，Mixcolumns()的系數(shù)是{09，OB，OE，OD)，實(shí)現(xiàn)這些乘法顯然比加密時(shí)需要更多的時(shí)間。由式(3)可知，InvMixcolumns()也可用xtime()函數(shù)與異或門實(shí)現(xiàn)。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)加／解密列混合變換電路的復(fù)用，從而節(jié)約電路面積，提高解密運(yùn)算速度。
2．3．4 密鑰加AddRoundKey()的設(shè)計(jì)
在AES算法中，加法用異或操作實(shí)現(xiàn)。密鑰加是中間狀態(tài)的每一字節(jié)按位與輪密鑰進(jìn)行異或操作，加法的逆運(yùn)算也用異或操作，所以可采用逐位異或操作實(shí)現(xiàn)加解密運(yùn)算的AddRoundkey()。AddRoundkey()的逆運(yùn)算是其自身。因此本文在常規(guī)輪中把加密時(shí)的密鑰加、列混合變換和解密時(shí)的密鑰加、列混合變換集成為同一模塊，通過加解密信號的選擇，實(shí)現(xiàn)加解密運(yùn)算的列變換和密鑰加功能。這樣可消除加解密硬件結(jié)構(gòu)的差異，同時(shí)也可降低輪密鑰處理的復(fù)雜度。
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