【正文】 Thanavijitpun, C. 。 最后，感謝和我共度大學(xué)美好時(shí)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。王老師不僅細(xì)心解答我們畢設(shè)中遇到的問題，還時(shí)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。總是在即將失去的時(shí)候才后悔曾今的不珍惜，面對白紙黑字，總覺得些許惆悵。 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。相當(dāng)長的時(shí)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(shí)還需要花大量的時(shí)間及精力去學(xué)習(xí)，只有深刻領(lǐng)會(huì)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。 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。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(yàn)證。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(shí)現(xiàn)的優(yōu)缺 點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上確定了用 ASIC 方式實(shí)現(xiàn) AES 加密電路。在這個(gè)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 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(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。 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 門級電路 2 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 22 圖 44 AES 門級電路 3 如圖 4 4 47 所示，為 DC 過程生成的報(bào)告。應(yīng)用 Synopsys 公司開發(fā)的后端設(shè)計(jì)工具 Astro 可以完成布局布線的設(shè)計(jì)，同時(shí) Astro 還具有時(shí)序優(yōu)化的功能，可以再一次流程中使設(shè)計(jì)電路達(dá)到預(yù)設(shè)的指標(biāo)。 綜合和布局布線 過程概述 本次試驗(yàn)利用 DC 實(shí)現(xiàn)生成 .v， .sdf 和 .sdc 文件，然后利用 Astro 進(jìn)行版圖的生成。它能夠 滿足 5 千萬門 級 、時(shí)鐘頻率 達(dá)到 GHz 等 技術(shù)需求 。 在使用 synopsys DC 進(jìn)行綜合時(shí)，工藝庫，目標(biāo)庫，標(biāo)志庫等參數(shù)是必不可少的， DC 工具在工作時(shí)就是根據(jù)這些參數(shù)來確定所使用的相關(guān)算法及優(yōu)化方案的。優(yōu)化：綜合器根據(jù)外部施加的一定條件（包括時(shí)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。綜合過程包括轉(zhuǎn)譯（ Translation）、優(yōu)化 (Opitimization)和映射 (Mapping)這三個(gè)步驟。 Testbench 模塊仿真波形如圖 315 所示。 圖 311 keysched 模塊狀態(tài)機(jī) 圖 312 keysched 模塊外部接口 圖 313 keysched 模塊仿真波形 加密模塊 Testbench設(shè)計(jì) 該模塊的目的就是驗(yàn)證在給予 AES 加密模塊相同的明文、完全一致的密鑰時(shí)，輸出結(jié)果是否相同。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。 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 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 S0,0 S1,0 S2,0 S3,0 S’0,0 S’1,0 S’2,0 S’3,0 Mixcolumns clk reset start_i data_i[127...0] decrypt_i ready_o data_o[127...0] 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 18 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(gè)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。 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(shí)，下一輪運(yùn)算所需要的子密鑰也相應(yīng)地產(chǎn)生了。在 AES 算法中，初始密鑰通過密鑰擴(kuò)展模塊進(jìn)行變換，從而產(chǎn)生每一輪加密運(yùn)算中所需要的輪密碼。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。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。 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(jì) MixColumns MixColumns 變換是一個(gè)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 。位變換（ SubBytes）模塊仿真波形如圖36 所示。位變換過程如圖 34 所示。 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 14 圖 31 AES 加密總體架構(gòu) 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_i input 數(shù)據(jù)加載 decrypt_i input 加密控制 data_i input[127:0] 數(shù)據(jù)輸入 key_i input[127:0] 外部密鑰輸入 data_o output[127:0] 數(shù)據(jù)輸出 ready_o output 完成信號(hào) clk reset load_i data_i[127...0] decrypt_i key_i[127...0] ready_o data_o[127...0] Mix Columns Sub Bytes Shift Rows Add Round key Sbox Control Key Expansion 控制信號(hào) 數(shù)據(jù)輸入 密鑰 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 15 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(gè)將數(shù)組中每一個(gè)字節(jié)變換為另外一個(gè)字節(jié)的過程，且該過程中的變換為非線性的，它是一個(gè)字節(jié)大小的非線性變換。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。 Control 模塊控制電路選擇加密或解密模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能。 AES 加密模塊總體架構(gòu) 本課題研究的 AES 加密共有 7 個(gè)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(gè)部分組成，完成加密功能。與此同時(shí) 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(tái)的限制等優(yōu)點(diǎn)。 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。 它們一般面向特定的領(lǐng)域、針對特定的應(yīng)用、采用特定的層次，訂制程度高，但是由于彼此之間缺乏相應(yīng)的通用標(biāo)準(zhǔn)，因而基本不能跨領(lǐng)域通用。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(shí)現(xiàn)電路。 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。理解這些知識(shí)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)。此外，本章章首還對分組密碼以及分組密碼的兩種主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，雖說不很詳盡，但是也簡要概括了分組密碼的結(jié)構(gòu)流程和工作模式。 AES加密算法的工作流程如圖 23 所示。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。加、解密過程中 10 輪迭代中的每個(gè)階段均是可逆的。 AES 的算法結(jié)構(gòu)非常簡單，以一個(gè)明文分組長度為 128bit，輪數(shù)為 10 的加、解密整體結(jié)構(gòu)為例。 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。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。密碼反饋模式的工作方式與 CBC 有很大的相似性。 3) 密碼反饋模式（ CFB） 密碼反饋模式，初始向量位于一串?dāng)?shù)據(jù)的最高位，加密完成后最前面的 8 比特與明文最初 8 比特進(jìn)行異或運(yùn)算，生成密文最初 8 比特。 2）密文鏈接模式（ CBC） 密文鏈接模式，先將一個(gè)明文分組進(jìn)行加密，其結(jié)果存儲(chǔ)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。 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?，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。確保 AES 能勝任各行各業(yè)的加密需求。 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(jì)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。 密鑰加法本質(zhì)就是 128 位的異或運(yùn)算。圓鍵可以動(dòng)態(tài)生成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 ， 或者他們是提前計(jì)算 和存儲(chǔ) ，以供后續(xù) 使用。 表 21 SBOX 2) 行移位變換 ShiftRows 行移位變換就是以字節(jié)為單位對數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)移動(dòng)，這種變換是線性的，它其實(shí)就是 SP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中 S 層的組成部分，主要作用是混淆明文與密鑰。因此只 有 4 個(gè) 16 位的 SBox 共享密鑰更新 的 計(jì)算。一輪 128 位關(guān)鍵是需要在每一輪的 AES 操作。因?yàn)橐粋€(gè) SBox 計(jì)算塊只需要 8 位的數(shù)據(jù)集 ,我們的確需要 16 個(gè)平行單位。 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 9 由 DCxxr x ??? 2)( 可以推導(dǎo)出： 1???bp () 1)( ???? cCbq () DbcCbc 2)( ???? 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