【正文】 學 號 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(yè)設計報告（論文）誠信承諾 本人承諾所呈交的畢業(yè)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。如何才能保證私密信息不被外界竊取已經(jīng)成為現(xiàn)在學者們研究的重點項目。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(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 加密標準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、 DNA 技術(shù)以及混沌技術(shù)等一系列非常規(guī)手段應用到了信息加密上，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。從上世紀七十年代到當今的 21 世紀，這近 30 年間在加密標準領(lǐng)域， DES 可謂是獨占鰲頭。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 的先進性決定了其篩選的嚴格程度，這個征集過程歷時 3 年，進行三輪層層篩選，第一輪選出 15 種候選算法，第二輪對前一輪結(jié)果 進行篩選，只剩下 5 個算法晉級，最后一輪又經(jīng)過詳細論證及三次研討會議，才最終確立了 Rijndael 算法 的先進地位，并于 20xx 年將其命名為 AES 新一代高級加密標準。 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。 優(yōu)點：便捷、經(jīng)濟，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，本次課題的學習目標是重點掌握優(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行相互轉(zhuǎn)換的過程。 AES 算法運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 位的二進制數(shù)）的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)學中常用的多項式，這就 把不易計算分析的二進制數(shù)直觀地用符合我們正常思維的數(shù)學多項式的計算來表示。這樣才能讓乘法運算在有限域 )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 中還有一種乘法運算叫做 x 乘 ，記作 : )()())(( m o d xxxb mbxxtime ?? 多項式表示為： 東南大學成賢學院畢業(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)進行區(qū)分，得出其矩陣表示為： 321001233012230112303210bbbbaaaaaaaaaaaaaaaadddd?? () 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(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行了優(yōu)化。工作在復合材料領(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 語言描述目標電路，然后運用相關(guān)工具進行仿真（如 Modelsim）、生成相應的目標文件（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 東南大學成賢學院畢業(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 列混合變換模塊設計 MixColumns MixColumns 變換是一個實現(xiàn)狀態(tài)數(shù)組逐列進行變換的過程，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(chǎn)生了。相比較而言非并行擴展就不存在這樣的問題，所以，本課題采用的是非并行擴展方案。 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），按照預定的算法對轉(zhuǎn) 譯的結(jié)果進行邏輯優(yōu)化。它能夠 滿足 5 千萬門 級 、時鐘頻率 達到 GHz 等 技術(shù)需求 。應用 Synopsys 公司開發(fā)的后端設計工具 Astro 可以完成布局布線的設計，同時 Astro 還具有時序優(yōu)化的功能，可以再一次流程中使設計電路達到預設的指標。 東南大學成賢學院畢業(yè)論文 24 圖 48 Astro 生成的版圖 東南大學成賢學院畢業(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，計算機的處理速度飆升，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的交換成倍增長，電子商務也逐漸普及。本課題主要研究內(nèi)容如下： 對密碼學理論的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀進行介紹，并分析了相關(guān)的應用領(lǐng)域，對現(xiàn)今市場上的 AES 加密標準做了研究，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。 東南大學成賢學院畢業(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(yè)設計能夠圓滿完成，離不開王老師的悉心教誨。 Thanavijitpun, C. 。 最后，感謝和我共度大學美好時光的 20xx 屆電子科學與技術(shù)專業(yè)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?？偸窃诩磳⑹サ臅r候才后悔曾今的不珍惜，面對白紙黑字，總覺得些許惆悵。相當長的時間內(nèi)， AES 走在數(shù)據(jù)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(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習，只有深刻領(lǐng)會其本質(zhì)，才能脫離固有的模式，設計出更安全，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 加密算法進行研究。 東南大學成賢學院畢業(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