【正文】 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 27 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， 20xx [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)， 20xx [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)計算機(jī)與通信工程學(xué)院，林昊，四川工 業(yè)學(xué)院計算機(jī) 科學(xué)與工程系 [5] Thongkhome, K. 。感慨過后，還是重回到本篇論文，就好像一場青春舞臺劇臨近結(jié)束時，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)的研究從來沒有停止，隨著時間的推進(jìn)，技術(shù)的發(fā)展，相信未來密碼學(xué)會有新的突破。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 面積報告 圖 46 規(guī)則約束報告 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 23 圖 47 時序報告 Astro 版圖生成流程 一、 準(zhǔn)備 Verilog SDC 文件 ； 二、布局規(guī)劃 TDF 文件 FloorplanDesignSetup PadFiller 單元 PadRing Macro 單元 ； 三、布局 ，同時進(jìn)行第一次優(yōu)化 ； 四、時鐘 和 綜合 clockskewTiming ； 五、布線 進(jìn)行一次全局布線 ； Astro 生成的版圖 如圖 48 所示，為 AES 加密電路的最終版圖。 DesignCompiler可以針對層次化的組合電路或者時序電路的速度、面積和可布性進(jìn)行優(yōu)化，按照所定義的電路的測量特征所達(dá)到的目標(biāo)， DC 綜合一個電路并將其放入目標(biāo)庫，這樣可以生成適用于計算機(jī)輔助設(shè)計工程（ CAE）工具的原理圖或網(wǎng)表。 Synopsys Astro Synopsys Astro 是 一個 優(yōu)化、布局、布線的設(shè)計環(huán)境 ，它是 為超深亞微米（ UDSM） IC 設(shè)計 訂制的 。轉(zhuǎn)譯是軟件根據(jù)預(yù)設(shè)自動地將硬件描述語言翻譯成與其相對應(yīng)的功能模塊（包括模塊之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）的過程。驗證過程的原理如圖 314 所示。同時解密過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 模塊是一個簡單的以字節(jié)為單位的循環(huán)移動過程，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，并先后成為 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。它不僅用于描述已有的電路，還可通過對預(yù)期功能的描述達(dá)到設(shè)計電路的目的。全方位地闡述了 AES 算法的工作原理。 事實(shí)上 AES 的加密過程和解密過程相類似，加密過程是正運(yùn)算，解密過程就是相應(yīng)的逆運(yùn)算。對加密和解密操作，算法從輪密鑰加開始，接下來執(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： 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 11 ① S 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)移動到隊列的最后，其它位依次左移動 8個比特。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)勢就無法彌補(bǔ)其安全隱患的缺陷了。 事實(shí)上，工作模式的問世要遠(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、解密過程是分開的，因此密鑰擴(kuò)展在整個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： 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 10 ?????????????3210CCCC?????????????020xx10303020xx10103020101010302????????????3210aaaa 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 32位的數(shù)據(jù)路徑。 因為總數(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 )(28GF 可以被映射到元素24)2(GF ，利用多項式 142)( ???? xxr x 表示元素 )2( 4GF ，其中 14)( ??? xxI x 是初始的不可約多項式。沒有必要進(jìn)一步分解復(fù)合場最低的地場。元素 )(28GF 中定義的映射 24)2(GF 。大部分的作者和設(shè)計工程師都認(rèn)為 )()( 1 xx AB ?? 的計算是相當(dāng)復(fù)雜的。這種情況下，主要問題是如何實(shí)現(xiàn)高效 Sbox。每個字節(jié)的乘法逆元素運(yùn)算： )()( 1 xx AB ?? 1348)( ????? xxxxm x () 仿射變換（這個步驟執(zhí)行 )(28GF ）： )()( )18m o d ( xxx CBD x ?? ??）（ () 1}{1 234 ?????? xxxxF? 加密過程 xxxA ???? 36}4{? 解密過程 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 8 添加常數(shù) )(xC ,是為了防止 Sbox 沒有定點(diǎn) ,或沒有相反的定點(diǎn)。它的加法運(yùn)算與一字節(jié)相同，通過各系數(shù)的異或運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。 為了定義字節(jié)乘法，被廣泛地用于 AES 加密算法的多項式為： 1348)( ????? xxxxm x () 如在有限域 )2( 8GF 中， 16 進(jìn)制數(shù) {57} 和 {83} 所表示的多項式的乘積可以用 16 進(jìn)制數(shù) {C1} 表示。選取一個 L 次多項式 )(xm ，稱其為約化多項式。舉個列子，現(xiàn)在有一個多項式 157 ??? xxx ，那么它對應(yīng)的 8 位二進(jìn)制數(shù)就是 1010011，因此，其對應(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)過這一層的計算，明文分組中的任何一點(diǎn)變動，都會引起相應(yīng)密文的無規(guī)律變化。 明文分組 輪函數(shù) F1 輪函數(shù) F2 輪函數(shù) F3 輪函數(shù) FN 密文分組 初始密鑰 K 密 鑰 擴(kuò) 展 算 法 K1 K2 K3 KN 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 5 (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，解密過程就是一個逆運(yùn)算，加、解密過程中使用的密鑰分組是相同的?，F(xiàn)階段由于技術(shù)的發(fā)展，密碼的位寬越來越寬，由開始的 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)計成本較高，且開發(fā)相對困難，靈活性不佳。 軟件實(shí)現(xiàn)方式：即使用一種語言在一個操作系統(tǒng)或單片機(jī)上編寫加密程序。接下來就是 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)有的即將過時的 DES 加密算法。因此，后續(xù)曾經(jīng)出現(xiàn)過 DES 的升級版本，叫做三重 DES。在之后的幾年里， DES 加密標(biāo)準(zhǔn)迅速升溫，東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 2 全球范圍內(nèi) DES 開始滲透到各行各業(yè)，當(dāng)然了，加密算法最新都是為軍事服務(wù)的，后來逐漸進(jìn)入民用領(lǐng)域。加、解密過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，對課題主演研究的內(nèi)容作簡要概括，并對比軟硬件實(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)域的重量級角色 。 Modelsim . III 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 課題主要研究內(nèi)容 ............................................................................................................... 2 設(shè)計流程的介紹 ......................................................................................................... 2 軟硬件實(shí)現(xiàn)方式的介紹 ............................................................................................... 2 第