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低成本AES加解密集成设计 刘松 夏树村（沈阳军区65012部队 辽宁沈阳 110101） 摘 要：本文提出一种有效的基于内容可寻址存储器（CAM）的S/S-1盒查找表的实现方法，可以应用于AES的加密和解密运算，与基于RAM的S/S-1盒查找表相比，其复杂性显著降低。同时还提出一种关键路径上只有5个异或门延迟的列/逆列混合复用的硬件结构,大大节省了芯片面积。 关键词：AES，内容可寻址存储器，S/S-1盒，列/逆列混合 1 引言 随着AES算法的推广，其应用的范围越来越广泛。一般的硬件实现方案都是采用并行运算的形式，虽然提供了很高的数据吞吐率，但是资源消耗却很大，这就使得AES在便携设备等对硬件开销要求苛刻的领域中的应用受到限制。 为了能够高效、低成本的实现AES算法，本文提出一种新颖的基于内容可寻址存储器（CAM）的S/S-1盒查找表方法，仅使用一个查找表就可以实现AES的加密和解密运算。与基于RAM的S/S-1盒查找表相比，这种存储器的复杂性显著地降低。同时还提出一种低复杂度的硬件结构来实现列/逆列混合变换，使得解密过程能够充分利用加密的硬件资源，进一步有效地减少了芯片面积。 本文组织如下：第2节简要介绍AES算法；第3节重点介绍基于CAM的S/S-1盒查找表的体系结构，并与单独实现S盒与S-1盒查找表的方法进行比较；第4节详细介绍列/逆列混合的优化设计；第5节总结全文。 2 AES算法 AES是一种对称分组密码算法，其分组长度和密钥长度均可变，支持任意组合的128bit、192bit和256bit的分组长度和密钥长度。根据不同的密钥长度，AES的圈数分别为10、12和14。数据分组被分割成字节阵列，每一次运算都是面向字节的运算。基本的轮运算包括：字节代替/逆字节代替、行移位/逆行移位、列混合/逆列混合和圈密钥加。 无论进行加密或解密运算，数据分组首先与初始密钥进行异或，然后进行圈迭代轮运算，其中取决于密钥长度，最后一圈进行除列/逆列混合之外的其它三个变换。 字节代替变换是一个关于字节的非线性变换，将状态中的每一个字节非线性地变换为另一个字节，代替表（S盒）是可逆的，且由两个可逆变换复合而成。首先，将每一个字节变换为有限域中的乘法逆，规定00变换到其自身；其次，将上一步的结果在上做仿射变换。 逆字节代替变换是字节代替变换的逆变换。首先对每一个字节在上做仿射变换的逆变换，然后返回其在有限域中的乘法逆元素。 行移位变换就是加密时将一个状态的第行循环左移个字节，解密时循环右移个字节即为逆行移位变换。 列混合变换对一个状态逐列进行变换，它将一个状态的每一列视为有限域上的一个多项式且与一个固定多项式相乘。 加密时的列混合变换可表示为： 解密时的逆列混合变换为： 圈密钥加就是简单地将一个圈子密钥按位异或到一个状态上。圈子密钥按顺序取自扩展密钥，扩展密钥由初始密钥经过扩展后得到。 3 字节代替的优化设计 内容可寻址存储器（CAM）具有固有的并行性，允许并行地存取和比较存储器中的内容。本节提出一种新颖的基于CAM的查找表来执行S盒与S-1盒的查表操作。通过比较说明这种实现方法比使用两个单独的S盒与S-1盒查找表的复杂性显著降低。 3.1 内容可寻址存储器（CAM） 内容可寻址存储器（CAM）[2]是一种并行模式的匹配电路，能同时有哪些信誉好的足球投注网站存储器中的所有内容，并返回匹配数值的存储地址。CAM被视为一种并行处理器，用来加速实现图像处理和数据库有哪些信誉好的足球投注网站等应用。 CAM除拥有传统的存储器如RAM的读写功能外，还具有一种特殊的功能，它能够并行地比较其中存储的数据和数据线上的数据，返回满足比较条件的地址。 本文设计了一个8bit的CAM来实现S/ S-1盒查找表。图1所示为CAM单元第bit的逻辑电路。在查找内容前，将匹配信号（match）复位为1。图中，连接数据线，连接数据线。可知，。如果，则，那么匹配信号接地，即。否则,那么。进行写操作时，地址线被激活，通过数据线和，数据被写入CAM单元中（数据被存储在和中）。进行读操作时，选取相应的地址线，通过数据线获得存储器中的内容。 图1 1bit CAM单元的逻辑电路 3.2 基于CAM的S/S-1盒查找表 AES加密过程定义了一个S盒查找表，包含8bit的256个置换值。解密过程同样也定义了一个S-1盒。我们提出一种新颖的基于CAM的S/ S-1盒查找表的体系结构。 在CAM单元阵列中，用地址线来表示S盒的输入，存储的数据作为其输出值。每行为8bit，共有256行。在配置时将查找表的初始值加载到CAM中。当进行S盒查表操作时，选择相应的地址线，通过数据线读出数值。例如，要找到字节{00}的置换值，地址线00被激活，通过数据线可以读出输出值为{63}。当进行S-1盒查表操作时，将使用CAM的有哪些信誉好的足球投注网站功能。例如，