【正文】 學(xué) 號 01310248 姓 名 張 學(xué) 敏 指導(dǎo)教師 王 剛 起訖日期 設(shè)計地點 東南大學(xué) 成賢學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計報告（論文）誠信承諾 本人承諾所呈交的畢業(yè)設(shè)計報告（論文）及取得的成果是在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成，引用他人成果的部分均已列出參考文獻(xiàn)。如何才能保證私密信息不被外界竊取已經(jīng)成為現(xiàn)在學(xué)者們研究的重點項目。因此，本文先對 AES 算法的原理進(jìn)行了介紹，包括 S盒、行列混合變換及 AES 流水線結(jié)構(gòu)等。 Encryption Standard 。如何才能保證私密信息不被外界竊取已經(jīng)成為現(xiàn)在學(xué)者們研究的重點項目。 然而，伴隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，計算機(jī)硬件的表現(xiàn)可以說在穩(wěn)步飆升，數(shù)據(jù)交換量空前， DES 加密標(biāo)準(zhǔn)的安全性面臨空前的挑戰(zhàn)，事實上，實踐表明 DES 已漸漸不堪復(fù)用，無法滿足高端用戶的需求。 研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外加密算法的研究現(xiàn)狀 密碼技術(shù)主要由密碼編碼技術(shù)和密碼分析技術(shù)兩部分組成。另一種則打破了常規(guī)思路，把量子密碼學(xué)、 DNA 技術(shù)以及混沌技術(shù)等一系列非常規(guī)手段應(yīng)用到了信息加密上，不可不謂是另辟蹊徑。相反，加、解密過程密鑰不同的稱為私鑰密碼體制。從上世紀(jì)七十年代到當(dāng)今的 21 世紀(jì)，這近 30 年間在加密標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域， DES 可謂是獨(dú)占鰲頭。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。 AES 的先進(jìn)性決定了其篩選的嚴(yán)格程度，這個征集過程歷時 3 年，進(jìn)行三輪層層篩選，第一輪選出 15 種候選算法，第二輪對前一輪結(jié)果 進(jìn)行篩選，只剩下 5 個算法晉級，最后一輪又經(jīng)過詳細(xì)論證及三次研討會議，才最終確立了 Rijndael 算法 的先進(jìn)地位，并于 20xx 年將其命名為 AES 新一代高級加密標(biāo)準(zhǔn)。 首先要用硬件描述語言 (Verilog HDL)進(jìn) 行頂層模塊的描述并完成仿真驗證 ， 同時生成目標(biāo)文件。 優(yōu)點：便捷、經(jīng)濟(jì)，使用靈活，方便移植。 硬件實現(xiàn)方法又可分為專用集成電路 (ASIC)方法和現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（ FPGA）方法。因此，本次課題的學(xué)習(xí)目標(biāo)是重點掌握優(yōu)勢更為明顯的硬件實現(xiàn)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(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的過程。 AES 算法運(yùn)用的是迭代型分組算法，安全性高，靈活性好，并且迭代型分組易于在軟硬件中實現(xiàn)。從圖 22（ a）中可以看出， SP 結(jié)構(gòu)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。使密文的多樣性得到極大的拓展，使線性攻擊等手段對其無能為力。 有限域上的多項式及運(yùn)算 有限域 )2( 8GF 轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的多項式如下所示。 1）有限域上多項式的加法運(yùn)算 AES 加密算法中，通過我們?nèi)藶榈囟x，把一個字節(jié)（即 8 位的二進(jìn)制數(shù)）的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)中常用的多項式，這就 把不易計算分析的二進(jìn)制數(shù)直觀地用符合我們正常思維的數(shù)學(xué)多項式的計算來表示。這樣才能讓乘法運(yùn)算在有限域 )2( 8GF 中具有封閉性。 多項式表示為： )1()1( 7246 ??????? xxxxxx )1()()( 24623577891113 ??????????????? xxxxxxxxxxxxxx 13456891113 ????????? xxxxxxxx () 1)1m o d ()1( 673483456891113 ??????????????? xxxxxxxxxxxxxx () 在有限域 )2( 8GF 中還有一種乘法運(yùn)算叫做 x 乘 ，記作 : )()())(( m o d xxxb mbxxtime ?? 多項式表示為： 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 7 ))(( m o d01223344556677)( xmbxbxbxbxbxbxbxbbx x ????????? () 在這個式子中，要是 7b 為 0，多項式的系數(shù)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(jié)果；如若 7b 為 1 的話。 多項式表示為： 012233)( axaxaxaa x ???? ； 012233)( bxbxbxbb x ???? () 四字節(jié)的乘法運(yùn)算采用的約化多項式為： 14)( ??xmx () 多項式 )(xa 和 )(xb 的乘積多項式表示為： )1m o d ()( 4012233)()()( ??????? xdxdxdxdbac xxx () 根據(jù) x 冪的次數(shù)進(jìn)行區(qū)分，得出其矩陣表示為： 321001233012230112303210bbbbaaaaaaaaaaaaaaaadddd?? () 輪變換與密鑰擴(kuò)展 1） S 盒變換 SBOX SBox 操作是一個非線性的字節(jié)替換。 1}63{ 56)( ????? xxxC x 加密 1}05{ 2)( ??? xC x 令 )()( 1 xx AB ?? 要實現(xiàn) AES 兩個子步驟，通常需要 SubBytes 轉(zhuǎn)換，如表 2 所示。仿射變換 ,但是需要少量的門電路，這就會造成一定的延遲。好消息是，前人已經(jīng)總結(jié)了一套實用的 Sbox 計算方法。在底層領(lǐng)域?qū)Τ朔ê头囱葸M(jìn)行了優(yōu)化。工作在復(fù)合材料領(lǐng)域，乘法逆元素是相對自由的。結(jié)果映射在 ()、 ()的正逆矩陣中。此外 ， 在 Rijndae1 系統(tǒng) 中 數(shù)據(jù) 以最初始的 字節(jié)格式 存在 。因為一個 SBox 計算塊只需要 8 位的數(shù)據(jù)集 ,我們的確需要 16 個平行單位。因此只 有 4 個 16 位的 SBox 共享密鑰更新 的 計算。圓鍵可以動態(tài)生成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 ， 或者他們是提前計算 和存儲 ，以供后續(xù) 使用。 AES 加密算法工作模式 本文的第一章節(jié)里面就曾提到， AES 加密算法屬于分組密碼，分組密碼的設(shè)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?，F(xiàn)如今，比較成熟且應(yīng)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。 2）密文鏈接模式（ CBC） 密文鏈接模式，先將一個明文分組進(jìn)行加密，其結(jié)果存儲在寄存器中，然后明文分組再與寄存器中的密文進(jìn)行逐位異或，異或的結(jié)果與密鑰分組一齊被送入加密電路。密碼反饋模式的工作方式與 CBC 有很大的相似性。 ② P 層（線性混合層）：進(jìn)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(shù)據(jù)高度擴(kuò)散。加、解密過程中 10 輪迭代中的每個階段均是可逆的。 AES加密算法的工作流程如圖 23 所示。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(xù)的加密電路的設(shè)計工作打下了良好的基礎(chǔ)。該過程就是首先用 HDL 語言描述目標(biāo)電路，然后運(yùn)用相關(guān)工具進(jìn)行仿真（如 Modelsim）、生成相應(yīng)的目標(biāo)文件（如 EDA），最后再用 ASIC 或者 FPGA 方式來實現(xiàn)電路。 Modelsim 仿真軟件 Modelsim 是一款硬件描述語言仿真軟件，其性能之優(yōu)秀在業(yè)內(nèi)是有目共睹的， Mentor 公司憑借它在仿真軟件領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。 AES 加密模塊總體架構(gòu) 本課題研究的 AES 加密共有 7 個部分，分別是： SubBytes、 ShiftRows、 MixColumns、 AddRoundkey、Sbox、 Key Expansion，其中 Encrypt 模塊由 SubBytes、 ShiftRows、 MixColumns、 AddRoundkey、 Sbox這 5 個部分組成，完成加密功能。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。位變換過程如圖 34 所示。 圖 34 位變換過程示意圖 S0,0 S0,1 S0,2 S0,3 S1,0 S1,1 S1,2 S1,3 S2,0 S2,1 S2,2 S2,3 S3,0 S3,1 S3,2 S3,3 S’0,0 S’0,1 S’0,2 S’0,3 S’1,0 S’1,1 S’1,2 S’1,3 S’2,0 S’2,1 S’2,2 S’2,3 S’3,0 S’3,1 S’3,2 S’3,3 SBox Sr,s S’r,s 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 16 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(shè)計 MixColumns MixColumns 變換是一個實現(xiàn)狀態(tài)數(shù)組逐列進(jìn)行變換的過程，它最主要的部分是有限域乘法 。列混合變換過程及外部接口分別如圖 3 39 所示， Mixcolumns 模塊仿真波形如圖 310 所示。 并行擴(kuò)展：輪運(yùn)算與子密鑰的生成是同步的，即每一輪輪運(yùn)算開始的同時，下一輪運(yùn)算所需要的子密鑰也相應(yīng)地產(chǎn)生了。相比較而言非并行擴(kuò)展就不存在這樣的問題，所以，本課題采用的是非并行擴(kuò)展方案。 Testbench 模塊仿真波形如圖 315 所示。優(yōu)化：綜合器根據(jù)外部施加的一定條件（包括時序和電路面積的限制等），按照預(yù)定的算法對轉(zhuǎn) 譯的結(jié)果進(jìn)行邏輯優(yōu)化。它能夠 滿足 5 千萬門 級 、時鐘頻率 達(dá)到 GHz 等 技術(shù)需求 。應(yīng)用 Synopsys 公司開發(fā)的后端設(shè)計工具 Astro 可以完成布局布線的設(shè)計，同時 Astro 還具有時序優(yōu)化的功能，可以再一次流程中使設(shè)計電路達(dá)到預(yù)設(shè)的指標(biāo)。 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 24 圖 48 Astro 生成的版圖 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 25 第五章 總結(jié)與展望 全文總結(jié) 隨著技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)的處理速度飆升，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換成倍增長，電子商務(wù)也逐漸普及。本課題主要研究內(nèi)容如下： 對密碼學(xué)理論的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并分析了相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，對現(xiàn)今市場上的 AES 加密標(biāo)準(zhǔn)做了研究，分析了軟、硬件實現(xiàn)的優(yōu)缺 點，在此基礎(chǔ)上確定了用 ASIC 方式實現(xiàn) AES 加密電路。 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。 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 26 致 謝 光陰的流逝是客觀的，每一分，每一秒，不緊不慢，然而它卻常常被我忽略。王老師不僅細(xì)心解答我們畢設(shè)中遇到的問題，還時常敦促我們的畢設(shè)進(jìn)度，畢業(yè)設(shè)計能夠圓滿完成，離不開王老師的悉心教誨。 Thanavijitpun, C. 。 最后，感謝和我共度大學(xué)美好時光的 20xx 屆電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的同學(xué)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。總是在即將失去的時候才后悔曾今的不珍惜，面對白紙黑字，總覺得些許惆悵。相當(dāng)長的時間內(nèi)， AES 走在數(shù)據(jù)攻擊的前面，其先進(jìn)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(guān)于加密算法相關(guān)知識還需要花大量的時間及精力去學(xué)習(xí)，只有深刻領(lǐng)會其本質(zhì)，才能脫離固有的模式，設(shè)計出更安全，更優(yōu)秀的加密電路。然后用 Verilog HDL 語言分別對其進(jìn)行描述，并通過 Modelsim 仿真工具完成仿真驗證。在這個背景下，本課題選擇了對現(xiàn)今最高級的 AES 加密算法進(jìn)行研究。 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 21 圖 41 DC 綜合后門級電路圖 圖 42 AES 門級電路 1 圖 43 AES 門