Rijdael优化算法流程的FPGA实现案例.doc

Rijdael优化算法流程的FPGA实现 张楠1、刘智平2 张楠1（北京航空航天大学，北京，100083） 刘智平（淄博职业学院山东淄博255000）网络安全除了依赖安全的网络通信协议及应用协议外，更多地取决于网络设备如交换机、路由器等所提供的功能。I_Round(State,I_RoundKey) { InvShiftRow(State); InvByteSub(State); AddRoundKey(State,I_RoundKey); InvMixColumn(State); } 加解密的子密钥相同，但逆轮变换的次序为：InvShiftRow、InvByteSub、AddRoundKey、InvMixColumn与加密轮变换次序不同。为了使加解密算法的结构相近，可以根据以下两条性质采用等价的解密算法。 1）InvShiftRow不改变字节的值，只是进行移位；InvByteSub只对状态中每个字节进行替换，与字节的位置无关。因此InvShiftRow和InvByteSub变换的顺序可以互换。 2）以下的变换顺序： AddRoundKey(State,RoundKey); InvMixColumn(State); 可以等效地替换为： InvMixColumn(State); AddRoundKey(State,InvRoundKey); 这是因为，数学上对于一个线性变换A,则满足 A(X+K)=A(X)+A(K)。 而在这里InvMixColumn是线性变换，因此也满足 InvMixColumns(State xor RoundKey) =InvMixColumns(State) xor InvMixColumns(RoundKey) =InvMixColumns(State) xor InvRoundKey 应用以上两条性质，逆轮变换用伪C代码的描述变为： I_Round(State,I_RoundKey) { InvByteSub(State); InvShiftRow(State); InvMixColumn(State); AddRoundKey(State,I_RoundKey); } 解密过程中的最后一轮逆轮变换变为： I_FinalRound(State,I_RoundKey) { InvByteSub(State); InvShiftRow(State); AddRoundKey(State,I_RoundKey); } Rijndael解密算法的等价算法，用伪C代码描述如下： I_Rijndael(State,CipherKey) { I_KeyExpansion(CipherKey,I_ExpandedKey); AddRoundKey(State,I_ExpandedKey+Nb*Nr); For(i=Nr-1;i0;i--)I_Round(State,I_ExpandedKey+Nb*i); I_FinalRound(State,I_ExpandedKey); } Rijndael密码的解密算法为顺序完成以下操作：初始的密钥加；（Nr-1）轮迭代；一个结尾轮。 逆密钥扩展的伪C代码描述如下： I_KeyExpansion(CipherKey,I_ExpandedKey) { KeyExpansion(CipherKey,I_ExpandedKey); for(i=1;iNr;i++) InvMixColumn(I_ExpandedKey+Nb*i); } 设加密算法的初始密钥加、第一轮、第二轮、…、第Nr轮的字密钥依次为： k(0),k(1),k(2),…,k(Nr-1),k(Nr) 则解密算法的初始密钥加、第一轮、第二轮、…、第Nr轮的字密钥依次为： k(Nr),InvMixColumn(k(Nr-1)),InvMixColumn(k(Nr-2)),…,InvMixColumn(k(1)),k(0) 逆密钥扩展中除第一轮和最后一轮之外，所有轮密钥都要进行InvMixColumn变换。因此解密算法的密钥扩展比加密算法的密钥扩展要慢。 综上所述，等价的Rijndael密码的解密算法与加密算法的大的计算网络都相同，只是将各计算部件换为对应的逆部件。当然由于第一轮之前和最后一轮的AddRoundKey不与InvMixColumns同时出现，所以的子密钥中的第一个和最后一个不用进行InvMixColumns置换。 2 列混合变换的优化 Rijndael的轮变换包括四个变换：S盒变换(SubByte)，行变换(ShiftRow)，列变换(MixColumn)和轮密钥加(AddRoundKey)。S盒变换的实现采用了查表的方式(LUT)，即为加密和解密各定义了一个数组常量作为S盒，通过