基于veriloghdl及aes加密電路設計(完整版)

　　

【正文】 01310248 姓　　名 張 學 敏 指導教師 王 剛 起訖日期 設計地點 東南大學成賢學院 畢業設計報告（論文）誠信承諾 本人承諾所呈交的畢業設計報告（論文）及取得的成果是在導師指導下完成，引用他人成果的部分均已列出參考文獻。因此，本文先對AES算法的原理進行了介紹，包括S盒、行列混合變換及AES流水線結構等。如何才能保證私密信息不被外界竊取已經成為現在學者們研究的重點項目。 研究現狀 國內外加密算法的研究現狀密碼技術主要由密碼編碼技術和密碼分析技術兩部分組成。相反，加、解密過程密鑰不同的稱為私鑰密碼體制。然而事實證明三重DES并不能提供理論上的168位加密的安全性能。首先要用硬件描述語言(Verilog HDL)進行頂層模塊的描述并完成仿真驗證，同時生成目標文件。 硬件實現方法又可分為專用集成電路(ASIC)方法和現場可編程邏輯門陣列（FPGA）方法。分組密碼中，加密、解密過程其實就是明文分組和密文分組進行相互轉換的過程。從圖22（a）中可以看出，SP結構從上往下依次是輪輸入、S層、P層、輪輸出，然后子密鑰作用于S層。 有限域上的多項式及運算有限域轉化為傳統的多項式如下所示。這樣才能讓乘法運算在有限域中具有封閉性。 多項式表示為：( ； () 四字節的乘法運算采用的約化多項式為：( () 多項式和的乘積多項式表示為： ()根據冪的次數進行區分，得出其矩陣表示為： () 輪變換與密鑰擴展1） S盒變換SBOX SBox操作是一個非線性的字節替換。仿射變換,但是需要少量的門電路，這就會造成一定的延遲。在底層領域對乘法和反演進行了優化。結果映射在()、()的正逆矩陣中。因為一個SBox計算塊只需要8位的數據集,我們的確需要16個平行單位。圓鍵可以動態生成數據轉換，或者他們是提前計算和存儲，以供后續使用。現如今，比較成熟且應用較為廣泛的幾種工作模式包括：電子密碼本模式（Electronic Code Book）、密文連接模式（Cipher Block Chaining）、密碼反饋模式（Cipher Feedback）和輸出反饋模式（Output Feedback）等。密碼反饋模式的工作方式與CBC有很大的相似性。加、解密過程中10輪迭代中的每個階段均是可逆的。理解這些知識點對更深層次、更透徹地理解AES加密算法大有幫助，此外，這也為后續的加密電路的設計工作打下了良好的基礎。 Modelsim仿真軟件Modelsim是一款硬件描述語言仿真軟件，其性能之優秀在業內是有目共睹的，Mentor公司憑借它在仿真軟件領域遙遙領先。AES加密模塊頂層的外部接口及部分端口功能說明分別如圖3表31所示。SBoxSr,sS’r,sS0,0S0,1S0,2S0,3S1,0S1,1S1,2S1,3S2,0S2,1S2,2S2,3S3,0S3,1S3,2S3,3S’0,0S’0,1S’0,2S’0,3S’1,0S’1,1S’1,2S’1,3S’2,0S’2,1S’2,2S’2,3S’3,0S’3,1S’3,2S’3,3圖34 位變換過程示意圖clkresetstart_idata_i[127...0]decrypt_isbox_data_i[7...0]ready_odata_o[127...0]sbox_data_o[7...0]sbox_decrypt_o圖35 位變換模塊外部接口圖36 位變換模塊仿真波形圖37 S盒模塊（Sbox）仿真波形 列混合變換模塊設計MixColumnsMixColumns變換是一個實現狀態數組逐列進行變換的過程，它最主要的部分是有限域乘法。并行擴展：輪運算與子密鑰的生成是同步的，即每一輪輪運算開始的同時，下一輪運算所需要的子密鑰也相應地產生了。Testbench模塊仿真波形如圖315所示。它能夠滿足5千萬門級、時鐘頻率達到GHz等技術需求。圖48 Astro生成的版圖第5章 總結與展望 全文總結隨著技術的發展，計算機的處理速度飆升，網絡數據的交換成倍增長，電子商務也逐漸普及。 展望 加密、破解這兩者就好似彈與甲一樣，兩者相互對立，并在相互競爭中螺旋上升。王老師不僅細心解答我們畢設中遇到的問題，還時常敦促我們的畢設進度，畢業設計能夠圓滿完成，離不開王老師的悉心教誨。最后，感謝和我共度大學美好時光的2014屆電子科學與技術專業的同學們，感謝電子工程系的所有授課老師，感謝在背后支持我的親人和朋友。相當長的時間內，AES走在數據攻擊的前面，其先進性是毋庸置疑的，本課題中對AES加密算法的挖掘也只是涉及皮毛而已，有關于加密算法相關知識還需要花大量的時間及精力去學習，只有深刻領會其本質，才能脫離固有的模式，設計出更安全，更優秀的加密電路。在這個背景下，本課題選擇了對現今最高級的AES加密算法進行研究。 綜合和布局布線 過程概述，.，然后利用Astro進行版圖的生成。綜合過程包括轉譯（Translation）、優化(Opitimization)和映射(Mapping)這三個步驟。這兩種密鑰擴展方案理論上都是可行的，然而并行擴展密鑰在解密過程中的第一個子密鑰是加密過程中最后一輪的子密鑰，因此，解密過程就必須要在這一輪加密結束后才能開始。因此，列混合變換實際就是對字變換和字節變換的調用。Mix ColumnsSub BytesShift RowsAdd Round keySboxControlKey Expansion控制信號數據輸入密鑰圖31 AES加密總體架構clkresetload_idata_i[127...0]decrypt_ikey_i[127...0]ready_odata_o[127...0]圖32 AES加密模塊頂層外部接口示意表31 AES加密模塊部分端口說明端口名稱端口類型端口描述load_iinput數據加載decrypt_iinput加密控制data_iinput[127:0]數據輸入key_iinput[127:0]外部密鑰輸入data_ooutput[127:0]數據輸出ready_ooutput完成信號圖33 AES加密電路仿真波形 位變換模塊設計SubBytes及Sbox位變換模塊（SubBytes）是一個將數組中每一個字節變換為另外一個字節的過程，且該過程中的變換為非線性的，它是一個字節大小的非線性變換。與此同時Tcl/Tk技術、單一內核仿真技術和直接優化編譯技術這些看家本領無疑都成為Modelsim軟件的加分點，這些獨有的技術造就了其速度快且代碼編譯不受使用平臺的限制等優點。HDL提供了一種將硬件電路通過文字的形式表現出來的方法。而輪密鑰相加階段的逆就是用同樣的輪密鑰和分組相異或的過程。然而，抵抗力較弱，安全性存在缺陷，無法并行處理數據等等先天性的缺點也制約了其發展。 1）電子密碼本模式（ECB）電子密碼本模式，分組長度128位，若明文長度不足128位的話，就在空缺的數據位上添加上空字符。密鑰加法本質就是128位的異或運算。一輪128位關鍵是需要在每一輪的AES操作。利用映射元素形式，從到是簡單的乘法逆計算反演。為了減少了一些不必要的資源浪費，字段轉換只應用于Sbox計算。這是一個本原不可約多項式。乘法逆元素和仿射變換。 ()定義時，稱為的逆元。 ()需要注意的是，此多項式的系數是一個8位二進制數的每一位的數值，即非0即1。明文和密鑰共同作用于S層，在這一步中要完成的工作就是擾亂明文與密鑰彼此之間的聯系，使非法用戶無法從外界區分明文和密鑰，從而達到對密碼分析技術的免疫，即提高抵抗攻擊的能力。分組密碼把明文按一定長度進行分組，一般為128位，然后同長度可