【正文】 參考文獻(xiàn)[1] 集成電路CAD與實(shí)踐，李冰編著，電子工業(yè)出版社，2009[2] AES算法的安全性分析及其優(yōu)化改進(jìn)，賈旭，吉林大學(xué)，2010[3] 基于VERILOG的AES加密算法的實(shí)現(xiàn)，虞歡，東南大學(xué)[4] AES算法原理及其實(shí)現(xiàn)，何明星，西南交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，林昊，四川工 業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系[5] Thongkhome, K. 。感慨過(guò)后，還是重回到本篇論文，就好像一場(chǎng)青春舞臺(tái)劇臨近結(jié)束時(shí)，總要獻(xiàn)上一段謝幕詞一樣，在此首先要感謝畢設(shè)的責(zé)任導(dǎo)師王剛老師，王老師工作認(rèn)真，理論知識(shí)淵博，他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹笇?dǎo)方式都讓我受益匪淺。密碼學(xué)的研究從來(lái)沒(méi)有停止，隨著時(shí)間的推進(jìn)，技術(shù)的發(fā)展，相信未來(lái)密碼學(xué)會(huì)有新的突破。最后利用Synopsys DC和Astro分別完成AES加密電路的綜合和布局布線工作，得到最終的AES加密電路的版圖。并用ASIC方法實(shí)現(xiàn)AES加密電路。 圖45 面積報(bào)告 圖46 規(guī)則約束報(bào)告 圖47 時(shí)序報(bào)告 Astro版圖生成流程一、準(zhǔn)備 ；二、布局規(guī)劃 ；三、布局 ，同時(shí)進(jìn)行第一次優(yōu)化 ；四、時(shí)鐘和綜合 ；五、布線 ； Astro生成的版圖如圖48所示，為AES加密電路的最終版圖。DesignCompiler可以針對(duì)層次化的組合電路或者時(shí)序電路的速度、面積和可布性進(jìn)行優(yōu)化，按照所定義的電路的測(cè)量特征所達(dá)到的目標(biāo)，DC綜合一個(gè)電路并將其放入目標(biāo)庫(kù)，這樣可以生成適用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工程（CAE）工具的原理圖或網(wǎng)表。 Synopsys Astro Synopsys Astro是一個(gè)優(yōu)化、布局、布線的設(shè)計(jì)環(huán)境，它是為超深亞微米（UDSM）IC設(shè)計(jì)訂制的。轉(zhuǎn)譯是軟件根據(jù)預(yù)設(shè)自動(dòng)地將硬件描述語(yǔ)言翻譯成與其相對(duì)應(yīng)的功能模塊（包括模塊之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）的過(guò)程。驗(yàn)證過(guò)程的原理如圖314所示。同時(shí)解密過(guò)程還需要與之匹配的解密密鑰的擴(kuò)展電路，這就造成了一定的資源浪費(fèi)。密鑰的擴(kuò)展根據(jù)擴(kuò)展時(shí)序又能夠被分成非并行擴(kuò)展和并行擴(kuò)展。另外，由于shiftrows模塊是一個(gè)簡(jiǎn)單的以字節(jié)為單位的循環(huán)移動(dòng)過(guò)程，所以該模塊可以在列混合變換模塊中體現(xiàn)，從而節(jié)省空間，提高運(yùn)算效率。S盒模塊（Sbox）仿真波形如圖37所示。另外，與AES其它模塊一樣，位變換是可逆的。其總體架構(gòu)如圖31所示。個(gè)性化的圖形界面以及可自由配置的用戶接口等因素都讓Modelsim成為仿真軟件的首選。最終，VHDL和VerilogHDL在優(yōu)勝劣汰中生存了下來(lái)，并先后成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)。它不僅用于描述已有的電路，還可通過(guò)對(duì)預(yù)期功能的描述達(dá)到設(shè)計(jì)電路的目的。全方位地闡述了AES算法的工作原理。事實(shí)上AES的加密過(guò)程和解密過(guò)程相類似，加密過(guò)程是正運(yùn)算，解密過(guò)程就是相應(yīng)的逆運(yùn)算。對(duì)加密和解密操作，算法從輪密鑰加開(kāi)始，接下來(lái)執(zhí)行9輪迭代運(yùn)算，每一輪都包含字節(jié)代換、行移位、列混淆、輪密相加這四個(gè)階段的代換，最后1輪運(yùn)算只包含字節(jié)代換、行移位、輪密相加這三個(gè)階段。 AES算法的整體結(jié)構(gòu) AES加密算法為替代/置換（SP）型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，輪變換的輪函數(shù)由以下三層組成：①S層（非線性層）：由字節(jié)代換函數(shù)（SubBytes）組成，進(jìn)行非線性S 盒變換，起混淆作用，確保達(dá)到掩蓋明文、密文、密鑰關(guān)系的目的。然后將該8比特的數(shù)據(jù)移動(dòng)到隊(duì)列的最后，其它位依次左移動(dòng)8個(gè)比特。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(shí)例中擁有良好表現(xiàn)，一旦碰到分組數(shù)量較多且重復(fù)率較高的情況，ECB模式速度快的優(yōu)勢(shì)就無(wú)法彌補(bǔ)其安全隱患的缺陷了。 事實(shí)上，工作模式的問(wèn)世要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于AES，要上溯到19世紀(jì)80年代。5）密鑰擴(kuò)展（ExpendedKey）AES加密算法是十輪迭代型分組密碼算法，密鑰擴(kuò)展和加、解密過(guò)程是分開(kāi)的，因此密鑰擴(kuò)展在整個(gè)加密算法中就顯得尤為重要，密鑰擴(kuò)展主要是由密鑰分組的位寬以及迭代輪數(shù)決定的，主要負(fù)責(zé)為加密或解密算法提供各輪運(yùn)算所需要的密鑰。3) 列混合變換MixColoumns 列混合變換屬于代替變換,列混合運(yùn)算表達(dá)式為：4）密鑰加法（AddRoundKey）密鑰加法KeyScheduling擴(kuò)展初始128位密碼鍵生成圓鍵。然而只有32位:4字節(jié)替換8位的需求。圖1所示的128位數(shù)據(jù)路徑是4個(gè)32位的數(shù)據(jù)路徑。因?yàn)榭倲?shù)據(jù)字節(jié)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(shù)據(jù)。元素可以被映射到元素，利用多項(xiàng)式表示元素，其中是初始的不可約多項(xiàng)式。沒(méi)有必要進(jìn)一步分解復(fù)合場(chǎng)最低的地場(chǎng)。元素中定義的映射。大部分的作者和設(shè)計(jì)工程師都認(rèn)為的計(jì)算是相當(dāng)復(fù)雜的。這種情況下，主要問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)高效Sbox。每個(gè)字節(jié)的乘法逆元素運(yùn)算： ()仿射變換（這個(gè)步驟執(zhí)行）： () 加密過(guò)程 解密過(guò)程添加常數(shù),是為了防止Sbox沒(méi)有定點(diǎn),或沒(méi)有相反的定點(diǎn)。它的加法運(yùn)算與一字節(jié)相同，通過(guò)各系數(shù)的異或運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了定義字節(jié)乘法，被廣泛地用于AES加密算法的多項(xiàng)式為： ()如在有限域中，16進(jìn)制數(shù) {57} 和 {83} 所表示的多項(xiàng)式的乘積可以用16 進(jìn)制數(shù) {C1} 表示。選取一個(gè)L次多項(xiàng)式，稱其為約化多項(xiàng)式。舉個(gè)列子，現(xiàn)在有一個(gè)多項(xiàng)式，那么它對(duì)應(yīng)的8位二進(jìn)制數(shù)就是1010011，因此，其對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)就是{A3}。在AES加密算法中，最常用的特征值是2。SP結(jié)構(gòu)中的P層主要承擔(dān)著擴(kuò)散的工作，經(jīng)過(guò)這一層的計(jì)算，明文分組中的任何一點(diǎn)變動(dòng)，都會(huì)引起相應(yīng)密文的無(wú)規(guī)律變化。LiRiFKiLi+1Ri+1輪 輸 入S 層輪 輸 出P 層子密鑰 (a) (b)圖22：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于AES算法使用的結(jié)構(gòu)類型是SP，因此，本文著重介紹SP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。相反，解密過(guò)程就是一個(gè)逆運(yùn)算，加、解密過(guò)程中使用的密鑰分組是相同的。現(xiàn)階段由于技術(shù)的發(fā)展，密碼的位寬越來(lái)越寬，由開(kāi)始的56位，到現(xiàn)在的128位可擴(kuò)展密鑰，分組密碼的優(yōu)于序列密碼的趨勢(shì)已初現(xiàn)端倪。但是在很多實(shí)際應(yīng)用中，軟件加密方案并不能完全滿足現(xiàn)實(shí)需求。 缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)成本較高，且開(kāi)發(fā)相對(duì)困難，靈活性不佳。軟件實(shí)現(xiàn)方式：即使用一種語(yǔ)言在一個(gè)操作系統(tǒng)或單片機(jī)上編寫(xiě)加密程序。接下來(lái)就是AES算法的實(shí)現(xiàn)了。此次征集的目的就是要確立一個(gè)適用于全球范圍內(nèi)各行各業(yè)，具有較強(qiáng)通用能力的新一代加密標(biāo)準(zhǔn)，并且替代現(xiàn)有的即將過(guò)時(shí)的DES加密算法。因此，后續(xù)曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)DES的升級(jí)版本，叫做三重DES。在之后的幾年里，DES加密標(biāo)準(zhǔn)迅速升溫，全球范圍內(nèi)DES開(kāi)始滲透到各行各業(yè)，當(dāng)然了，加密算法最新都是為軍事服務(wù)的，后來(lái)逐漸進(jìn)入民用領(lǐng)域。加、解密過(guò)程中使用的密鑰相同的密碼體制稱為公鑰密碼，這種加密算法往往由復(fù)雜的非線性變換組成，在商業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從目前已經(jīng)被提出的加密思想來(lái)看，一種就是公鑰密碼、分組密碼、序列密碼等基于數(shù)學(xué)思想的加密技術(shù)。緒論部分我將著重介紹國(guó)內(nèi)外加密算法以及數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀，對(duì)課題主演研究的內(nèi)容作簡(jiǎn)要概括，并對(duì)比軟硬件實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上介紹設(shè)計(jì)流程。自上世紀(jì)70年代起，DES加密標(biāo)準(zhǔn)一直都是數(shù)據(jù)加密領(lǐng)域的重量級(jí)角色。 Modelsim .目 錄第一章 緒論 1 課題研究背景及意義 1 研究現(xiàn)狀 1 國(guó)內(nèi)外加密算法的研究現(xiàn)狀 1 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀 1 課題主要研究?jī)?nèi)容 2 設(shè)計(jì)流程的介紹 2 軟硬件實(shí)現(xiàn)方式的介紹 2第二章 AES算法的原理研究 4 分組密碼的研究 4 AES 加密算法的數(shù)學(xué)理論 5 含有有限個(gè)元素的域 5 有限域上的多項(xiàng)式及運(yùn)算 5 輪變換與密鑰擴(kuò)展 7 AES 加密算法工作模式 10 AES算法的整體結(jié)構(gòu) 10 本章總結(jié) 12第三章 AES 算法模塊的設(shè)計(jì)及仿真 13 開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹 13 硬件描述語(yǔ)言(HDL)介紹 13 Modelsim仿真軟件 13 AES 加密模塊總體架構(gòu) 13 位變換模塊設(shè)計(jì)SubBytes及Sbox 15 列混合變換模塊設(shè)計(jì)MixColumns 16 密鑰擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)keysched 17 加密模塊Testbench設(shè)計(jì) 18第四章 AES加密