1 引 言

AES加密算法的一種優(yōu)化的FPGA實(shí)現(xiàn)方法

隨著密碼分析水平，芯片處理能力和計(jì)算技術(shù)的不斷進(jìn)步，des的安全強(qiáng)度已經(jīng)難以適應(yīng)新的安全需要，其實(shí)現(xiàn)速度、代碼大小和跨平臺(tái)性均難以繼續(xù)滿足應(yīng)用需求。因此，nist(美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所)籌劃aes(高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn))算法，旨在取代des，以保護(hù)21世紀(jì)敏感政府信息的新型加密標(biāo)準(zhǔn)。rijndael算法以其簡潔、高效、安全和原則性的設(shè)計(jì)被接納為aes，并于2001年11月26日正式公布在fips(federal information processingstandards)出版的fips-pub 197中。作為des的繼承者，aes自從被接納為標(biāo)準(zhǔn)之日起就已經(jīng)被工業(yè)界、銀行業(yè)和行政部門作為事實(shí)上的密碼標(biāo)準(zhǔn)。

隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸速度提升為gigabits數(shù)量級(jí)，業(yè)界對(duì)算法的執(zhí)行速度的要求也越來越高，基于軟件的密碼算法便顯得性能不足，需要采用硬件加密的方式，他采用一些特殊的優(yōu)化技術(shù)(如流水線和查找表等)，可極大地提高數(shù)據(jù)的流量并減少密鑰的生成時(shí)間。另外，用硬件實(shí)現(xiàn)加密算法及與之相關(guān)的密鑰生成過程，并且封裝到芯片中，因?yàn)樗麄儾灰妆煌獠抗粽咦x取或更改，會(huì)有較高的物理安全性。因此，基于硬件的密碼算法就受到業(yè)界的普遍關(guān)注。以fpga為代表的可重構(gòu)硬件以其自身所固有的特點(diǎn)既具有硬件的安全性和高速性又有軟件的靈活性和易維護(hù)性，已經(jīng)成為分組密碼算法硬件實(shí)現(xiàn)的熱點(diǎn)研究方向。

本文介紹aes加密算法的一種fpga實(shí)現(xiàn)的方法以及對(duì)其加密速度的優(yōu)化處理技巧。

2 aes加密算法簡介

aes是一種迭代分組密碼，采用的是代替／置換網(wǎng)絡(luò)(spn)。他將明文分組長度固定為128 b，而且僅支持128，196或256 b的密鑰長度，本文僅對(duì)密鑰長度為128 b的情況進(jìn)行討論。

aes加密算法的實(shí)現(xiàn)包括密鑰擴(kuò)展過程和加密過程。加密過程又包括一個(gè)作為初始輪的初始密鑰加法(addroundkey)，接著進(jìn)行9次輪變換(round)，最后再使用一個(gè)輪變換(finalround)，如圖1所示。

每一次round均由subbytes，shiftrows，mixcolumns和addroundkey共4個(gè)步驟構(gòu)成，finalround包含除mixcolumns這一步外的其他3個(gè)步驟，round結(jié)構(gòu)如圖2所示。

輪變換及其每一步均作用在中間結(jié)果上，將該中間結(jié)果稱為狀態(tài)，可以形象地表示為一個(gè)4*4 治療大三陽去哪家治好b的矩陣。

3 aes加密算法的優(yōu)化

3.1 字節(jié)代換(subbytes)

步驟subbytes是rijndael密碼中惟一的非線形變換。他是一個(gè)磚匠置換，該置換包含一個(gè)作用在狀態(tài)字節(jié)上的s-盒，用srd表示，他是由字節(jié)在gf(28)域中求其乘法逆并外加一個(gè)仿射變換(仿射變換的作用是復(fù)雜化s-盒的代數(shù)表達(dá)式)實(shí)現(xiàn)，假設(shè)該步的輸入為a，輸出為b，即b=srd(a)。由于該步驟是一種非線形面向字節(jié)的變換，是將一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)不同的8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，這里要求一一對(duì)應(yīng)，并且替換結(jié)果不能超出8位，可以通過構(gòu)造可逆的s-盒來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)字節(jié)代換的要求和特點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以將s-盒用一個(gè)16*16 b的置換表來表示，通過查表即可實(shí)現(xiàn)該步變換，避免了復(fù)雜的乘法運(yùn)算。

3.2 行移變換(shiftrows)

shiftrows是線形變換，他和列混合運(yùn)算相互影響，在多輪變換后，使密碼信息達(dá)到充分的混亂，提高非線形度。

行變換是在狀態(tài)的每個(gè)行間進(jìn)行的，是狀態(tài)中的行按照不同的偏移量進(jìn)行循環(huán)左移運(yùn)算，在明文分組長度為128 b，密鑰長度為128 b時(shí)，shiftrows對(duì)狀態(tài)的每行作用如下列表達(dá)式所示：

顯而易見，可以通過對(duì)每個(gè)字節(jié)的移位簡單實(shí)現(xiàn)該步變換。

3.3 列混合變換(mixcolumns)

mixcolumns是線形變換，是以狀態(tài)的列為單位進(jìn)行的操作。假設(shè)該步的一列的輸入為a，輸出為b，mixcolumns對(duì)狀態(tài)的每列作用如下列表達(dá)式：

上述矩陣乘法為gf(28)有限域中的乘法運(yùn)算，并且有一個(gè)因子為常數(shù)。由于gf(28)有限域中的每一個(gè)元素都能夠?qū)懗?2的不同冪次的和(例如：15=01○+022 ○+024)，因此，乘以任何常數(shù)的乘法都可以通過反復(fù)的乘以02和異或運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。可將矩陣乘法中的常數(shù)因子分解為02的不同冪次和，矩陣乘法轉(zhuǎn)換為與02的乘法和異或運(yùn)算。將gf(28)域中的每一個(gè)元素與02的乘積存儲(chǔ)在一張16*16 b查找表中，記作xtime(?)(例如：02*a=xtime(a))。所以，該步驟可以通過查表和異或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，表達(dá)式如下(假設(shè)該步的一列的輸入為a，輸出為b)：

3.4 密鑰加法(addroundkey)

addroundkey是將輪密鑰中的各個(gè)字節(jié)與狀態(tài)中的各個(gè)字節(jié)逐位異或，實(shí)現(xiàn)密碼和密鑰的混合。輪密鑰是由初始密鑰通過密鑰擴(kuò)展得到的。

3.5 密鑰擴(kuò)展(expandedkey)