基于veriloghdl及aes加密電路設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ()如在有限域中，16進制數 {57} 和 {83} 所表示的多項式的乘積可以用16 進制數 {C1} 表示。多項式表示為： () () 在有限域中還有一種乘法運算叫做乘，記作: 多項式表示為： ) ()在這個式子中，要是為0，多項式的系數依次向左移動1比特，最右邊空出來的1個比特我們用0來填充，這樣的改變并不影響該等式的結果；如若為1的話。那么乘積結果減，與 16進制數 {1B} 異或。3）有限域上多項式的四字節運算 有限域中四字節表示為次數小于4的多項式。它的加法運算與一字節相同，通過各系數的異或運算來實現。 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。它由兩個子轉換組成。乘法逆元素和仿射變換。每個字節的乘法逆元素運算： ()仿射變換（這個步驟執行）： () 加密過程 解密過程添加常數,是為了防止Sbox沒有定點,或沒有相反的定點。 加密 令 要實現AES兩個子步驟，通常需要SubBytes轉換，如表2所示。表中數據的大小是8位16*16即256 x 8位的ROM，數據規模不大，可以以一個簡單的方式與現代設計工具相結合。然而當硬件大小受到限制或者出現不能合并的ROM的時候,反演硬件就顯得相當有必要性。這種情況下，主要問題是如何實現高效Sbox。仿射變換,但是需要少量的門電路，這就會造成一定的延遲。根據Rijndael,AES應用了多項式。這是一個本原不可約多項式。大部分的作者和設計工程師都認為的計算是相當復雜的。好消息是，前人已經總結了一套實用的Sbox計算方法。以下列舉兩個方法：(1) 結合表21進行查表；(2) 使用CAD工具優化邏輯功能，合成并優化邏輯函數，計算元素的反演。利用復合材料的使用領域設計的低功耗Sbox轉換。元素中定義的映射。在底層領域對乘法和反演進行了優化。這種方法既吸引了()的技術，又和()中的許多有用的想法相一致。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。沒有必要進一步分解復合場最低的地場。工作在復合材料領域，乘法逆元素是相對自由的。然而，總的來，我們必須把中的元素映射到，其中。因此變換和逆變換矩陣是很重要的。元素可以被映射到元素，利用多項式表示元素，其中是初始的不可約多項式。結果映射在()、()的正逆矩陣中。 , ()()上圖左側的元素在上面的矩陣中表示最低有效位。利用映射元素形式，從到是簡單的乘法逆計算反演。因為總數據字節比較小，反演使用直接映射真值表的方法，在消耗較少的資源下查找數據。此外，在Rijndae1系統中數據以最初始的字節格式存在。令數據字節表示成，那么 。由可以推導出： () () () ()本文闡述了這種方法的擴展數量管道狀態選項SBox設計。圖1所示的128位數據路徑是4個32位的數據路徑。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。字節替換計算也是KeyScheduling計算過程所需的關鍵。一輪128位關鍵是需要在每一輪的AES操作。然而只有32位:4字節替換8位的需求。因此只有4個16位的SBox共享密鑰更新的計算。S 盒如表21所示。表21 SBOX2) 行移位變換ShiftRows 行移位變換就是以字節為單位對數據進行循環移動，這種變換是線性的，它其實就是SP網絡結構中S層的組成部分，主要作用是混淆明文與密鑰。3) 列混合變換MixColoumns 列混合變換屬于代替變換,列混合運算表達式為：4）密鑰加法（AddRoundKey）密鑰加法KeyScheduling擴展初始128位密碼鍵生成圓鍵。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。這種輪密鑰用于加密或解密的數據轉換是動態計算。密鑰加法本質就是128位的異或運算。5）密鑰擴展（ExpendedKey）AES加密算法是十輪迭代型分組密碼算法，密鑰擴展和加、解密過程是分開的，因此密鑰擴展在整個加密算法中就顯得尤為重要，密鑰擴展主要是由密鑰分組的位寬以及迭代輪數決定的，主要負責為加密或解密算法提供各輪運算所需要的密鑰。 AES 加密算法工作模式 本文的第一章節里面就曾提到，AES加密算法屬于分組密碼，分組密碼的設計思想就是將不同位寬的明文和密鑰分成固定長度的明文組和密鑰組。因此，可想而知在我們現實生活的應用中，所要加密的明文位寬不可能完全一致，有可能高于或低于分組長度，鑒于現實應用的多樣性，AES加密算法就有必要應用不同的工作模式，這樣才能達到最優的工作效率。確保AES能勝任各行各業的加密需求。 事實上，工作模式的問世要遠遠早于AES，要上溯到19世紀80年代。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。由于篇幅有限，本文只對以上幾種工作模式作簡要說明。 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。由于AES加密算法的特性，決定了電子密碼本模式只能在明文分組較少的實例中擁有良好表現，一旦碰到分組數量較多且重復率較高的情況，ECB模式速度快的優勢就無法彌補其安全隱患的缺陷了。2）密文鏈接模式（CBC）密文鏈接模式，先將一個明文分組進行加密，其結果存儲在寄存器中，然后明文分組再與寄存器中的密文進行逐位異或，異或的結果與密鑰分組一齊被送入加密電路。該模式的流水線是串行模式，加密結構牽一發而動全身，明文分組的一絲變化，都會導致密文分組的連鎖反應。 3) 密碼反饋模式（CFB）密碼反饋模式，初始向量位于一串數據的最高位，加密完成后最前面的8比特與明文最初8比特進行異或運算，生成密文最初8比特。然后將該8比特的數據移動到隊列的最后，其它位依次左移動8個比特。密碼反饋模式的工作方式與CBC有很大的相似性。 4) 輸出反饋模式（OFB）輸出反饋模式相較于CFB，變塊密碼為流密碼就是輸出反饋模式最大的特點，其它基本與CFB模式相仿。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。 AES算法的整體結構 AES加密算法為替代/置換（SP）型網絡結構，輪變換的輪函數由以下三層組成：①S層（非線性層）：由字節代換函數（SubBytes）組成，進行非線性S 盒變換，起混淆作用，確保達到掩蓋明文、密文、密鑰關系的目的。②P層（線性混合層）：進行列混淆變換MixColumn和行移位變換ShiftRow，主要是為了確保多輪迭代后的數據高度擴散。③密鑰加層：進行輪密鑰加變換（AddRoundKey），控制子密鑰的產生，使明文與擴展出的密鑰更有效地結合。AES 的算法結構非常簡單，以一個明文分組長度為128bit，輪數為10的加、解密整體結構為例。對加密和解密操作，算法從輪密鑰加開始，接下來執行9輪迭代運算，每一輪都包含字節代換、行移位、列混淆、輪密相加這四個階段的代換，最后1輪運算只包含字節代換、行移位、輪密相加這三個階段。加、解密過