AES硬件实现研究及其应用.pdfVIP

AES 算法实现分析及其应用 罗兰，寿国础，胡怡红 北京邮电大学通信测试技术研究中心，北京 （100876） E-mail ：luolanzone@ 摘 要：在介绍AES 加密算法的基本原理基础上，分析了目前主要的三种AES 硬件结构实现， 并对其进行分析比较，给出结构的优化实现方法。然后介绍了AES 在 EPON 中的加密实现。 关键词：AES ，加密，硬件结构，EOPN 中图分类号：TN929.11 1. 引言 随着计算机数据通信业务的快速发展，用户对网络的安全性能要求越来越高，自 20 世纪 70 年代以来一直广泛使用的“数据加密标准”(DES) 已无法满足需求，AES(Advanced Encryption Standard)是美国国家标准与技术研究所(NIST)筹划的，旨在取代DES ，以保护21 世纪敏感政府 信息的新型加密标准。1997 年4 月NIST 开始公开征集，经过3 年的评比、审定，2000 年 10 月2 日，NIST 宣布Rijndael 算法当选AES 。Rijndael 是一种迭代分组密码算法，Rijndael 算法 本身支持可变的分组长度和密钥长度，而AES 只采用了 128 位分组长度和 128、192 或256 位 的密钥长度。该算法的主要优点是：设计简单，密钥安装快，需要的内存空间少，在所有平台 [1] 上运行良好，支持并行处理，可抵御目前所有已知攻击 。 2. AES 算法介绍 AES 采用128 比特分组长度，根据密钥长度不同，128、192 或256 位长度的密钥需加密的 轮次（用Nr 表示）分别为10 轮、12 轮和l4 轮。经过验证[2] ，选用l28 位的明文和密钥是几种 组合中加解密速度最快的。 AES 加密过程包括一个初始密钥加法，记作AddRoundKey，接着进行Nr-1 次轮变换Round ， 最后使用一个轮变换FinalRound 。在最后一个轮变换FinalRound 是将轮变换中的轮密钥加过程 略去。轮变换Round 由四个变换组成： （1）字节替代（SubBytes ），由一个S 盒来完成加密过程中的字节替代，它是轮变换中唯 一的非线性变换，S 盒在整个硬件设计中占了很大的比重。S 盒性能的提高对于整个设计性能会 有很大的改善，因此S 盒是整个设计优化的重点。 （2 ）行移位（ShiftRows），一个字节换位操作，即输入分组的状态矩阵的第1 行保持不变， 第2 行循环左(右)移1 个字节，第3 行循环左(右)移2 个字节，第4 行循环左(右)移3 个字节。 (3)列混淆（MixColumns ），将状态的每列均乘以一个固定多项式C( x) 03 x +01 x +01 x +02 ， 由于所乘为固定多项式，Mixcolumn 运算可以由查找表操作代替。 （4 ）轮密钥加（AddRoundKey ），状态通过前三步变换的结果与一个轮密钥（由初始密钥 扩展得到）进行异或得到。 3. AES 硬件实现方法 AES 算法的硬件实现就是主要针对轮函数的四种运算利用合适的硬件资源和结构进行设 - 1 - 计。本文研究了三种AES 算法硬件实现结构：完全流水线结构，循环式结构，流水线循环结构。 图1 （a ）~ （c ）给出了三种结构的示意图。这三种结构均支持128/192/256 比特的密钥大小。 图1 硬件实现结构 （1）完全流水线结构 图（a ）中将输入的明文(或密文)分成16 个字节，在第一个轮密钥加(Add Round Keys)变换 后进入Nr 轮迭代。前Nr-1 轮完全相同，依次经过字节代替、行移位、列混合、轮密钥加，最 后一轮则跳