【正文】 01310248 姓　　名 張 學(xué) 敏 指導(dǎo)教師 王 剛 起訖日期 設(shè)計(jì)地點(diǎn) 東南大學(xué)成賢學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文）誠信承諾 本人承諾所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)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)。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。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(diǎn)項(xiàng)目。 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。相反，加、解密過程密鑰不同的稱為私鑰密碼體制。然而事實(shí)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(jìn)行頂層模塊的描述并完成仿真驗(yàn)證，同時生成目標(biāo)文件。 硬件實(shí)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。分組密碼中，加密、解密過程其實(shí)就是明文分組和密文分組進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的過程。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。 有限域上的多項(xiàng)式及運(yùn)算有限域轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的多項(xiàng)式如下所示。這樣才能讓乘法運(yùn)算在有限域中具有封閉性。 多項(xiàng)式表示為：( ； () 四字節(jié)的乘法運(yùn)算采用的約化多項(xiàng)式為：( () 多項(xiàng)式和的乘積多項(xiàng)式表示為： ()根據(jù)冪的次數(shù)進(jìn)行區(qū)分，得出其矩陣表示為： () 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。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(lǐng)域?qū)Τ朔ê头囱葸M(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果映射在()、()的正逆矩陣中。因?yàn)橐粋€SBox計(jì)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。圓鍵可以動態(tài)生成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，或者他們是提前計(jì)算和存儲，以供后續(xù)使用?，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。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(diǎn)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(jì)工作打下了良好的基礎(chǔ)。 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(shè)計(jì)MixColumnsMixColumns變換是一個實(shí)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。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。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(dá)到GHz等技術(shù)需求。圖48 Astro生成的版圖第5章 總結(jié)與展望 全文總結(jié)隨著技術(shù)的發(fā)展，計(jì)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。 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(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(jì)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(xué)美好時光的2014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。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(jì)出更安全，更優(yōu)秀的加密電路。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。 綜合和布局布線 過程概述，.，然后利用Astro進(jìn)行版圖的生成。綜合過程包括轉(zhuǎn)譯（Translation）、優(yōu)化(Opitimization)和映射(Mapping)這三個步驟。這兩種密鑰擴(kuò)展方案理論上都是可行的，然而并行擴(kuò)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(jié)束后才能開始。因此，列混合變換實(shí)際就是對字變換和字節(jié)變換的調(diào)用。Mix ColumnsSub BytesShift RowsAdd Round keySboxControlKey Expansion控制信號數(shù)據(jù)輸入密鑰圖31 AES加密總體架構(gòu)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(shù)據(jù)加載decrypt_iinput加密控制data_iinput[127:0]數(shù)據(jù)輸入key_iinput[127:0]外部密鑰輸入data_ooutput[127:0]數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)SubBytes及Sbox位變換模塊（SubBytes）是一個將數(shù)組中每一個字節(jié)變換為另外一個字節(jié)的過程，且該過程中的變換為非線性的，它是一個字節(jié)大小的非線性變換。與此同時Tcl/Tk技術(shù)、單一內(nèi)核仿真技術(shù)和直接優(yōu)化編譯技術(shù)這些看家本領(lǐng)無疑都成為Modelsim軟件的加分點(diǎn)，這些獨(dú)有的技術(shù)造就了其速度快且代碼編譯不受使用平臺的限制等優(yōu)點(diǎn)。HDL提供了一種將硬件電路通過文字的形式表現(xiàn)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(shù)據(jù)等等先天性的缺點(diǎn)也制約了其發(fā)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(shù)據(jù)位上添加上空字符。密鑰加法本質(zhì)就是128位的異或運(yùn)算。一輪128位關(guān)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(jì)算反演。為了減少了一些不必要的資源浪費(fèi)，字段轉(zhuǎn)換只應(yīng)用于Sbox計(jì)算。這是一個本原不可約多項(xiàng)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(xiàng)式的系數(shù)是一個8位二進(jìn)制數(shù)的每一位的數(shù)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(lián)系，使非法用戶無法從外界區(qū)分明文和密鑰，從而達(dá)到對密碼分析技術(shù)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(jìn)行分組，一般為128位，然后同長度可