【正文】 cbcC 22 ???? () 本文闡述了這種方法的擴(kuò)展數(shù)量管道狀態(tài)選項 SBox 設(shè)計。此外 ， 在 Rijndae1 系統(tǒng) 中 數(shù)據(jù) 以最初始的 字節(jié)格式 存在 。利用映射元素形式 ，從 )(28GF 到 24)2(GF 是簡單的乘法逆計算反演。結(jié)果映射在 ()、 ()的正逆矩陣中。因此變換和逆變換矩陣是很重要的。工作在復(fù)合材料領(lǐng)域，乘法逆元素是相對自由的。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 計算。在底層領(lǐng)域?qū)Τ朔ê头囱葸M(jìn)行了優(yōu)化。利用復(fù)合材料的使用領(lǐng)域設(shè)計的低功耗 Sbox 轉(zhuǎn)換。好消息是，前人已經(jīng)總結(jié)了一套實(shí)用的 Sbox 計算方法。這是一個本原不可約多項式。仿射變換 ,但是需要少量的門電路，這就會造成一定的延遲。然而當(dāng)硬件大小受到限制或者出現(xiàn)不能合并的 ROM 的時候 ,反演硬件就顯得相當(dāng)有必要性。 1}63{ 56)( ????? xxxC x 加密 1}05{ 2)( ??? xC x 令 )()( 1 xx AB ?? 要實(shí)現(xiàn) AES 兩個子步驟，通常需要 SubBytes 轉(zhuǎn)換，如表 2 所示。乘法逆元素和仿射變換。 多項式表示為： 012233)( axaxaxaa x ???? ； 012233)( bxbxbxbb x ???? () 四字節(jié)的乘法運(yùn)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(jìn)行區(qū)分，得出其矩陣表示為： 321001233012230112303210bbbbaaaaaaaaaaaaaaaadddd?? () 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。 3）有限域上多項式的四字節(jié)運(yùn)算 有限域 )2( 8GF 中四字節(jié)表示為次數(shù)小于 4 的多項式。 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(yùn)算叫做 x 乘 ，記作 : )()())(( m o d xxxb mbxxtime ?? 多項式表示為： 東南大學(xué)成賢學(xué)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。 )()()()()()()( m o d xxxxxxx mbacbac ????? () 定義 1m o d )()()( ?? xxx mba 時， )(xb 稱為 )(xa 的逆元。這樣才能讓乘法運(yùn)算在有限域 )2( 8GF 中具有封閉性。 二進(jìn)制計算式： 1010011? 10001010 = 00101001 多項式計算式： 1)()1( 353757 ????????? xxxxxxxx () 2）有限域上多項式的乘法運(yùn)算 多項式的乘法關(guān)于多項式的加法滿足分配律、交換律和結(jié)合律，單位元為 0x 。 1）有限域上多項式的加法運(yùn)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(jìn)制數(shù)）的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)中常用的多項式，這就 把不易計算分析的二進(jìn)制數(shù)直觀地用符合我們正常思維的數(shù)學(xué)多項式的計算來表示。 )(01234567 xbbbbbbbbb ? 012233445577)( 66 bxbxbxbxbxbxbxbb x ???????? () Li Ri F Ki Li+1 Ri+1 輪 輸 入 S 層 輪 輸 出 P 層 子密鑰 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 6 需要注意的是，此多項式的系數(shù) ib 是一個 8 位二進(jìn)制數(shù)的每一位的數(shù)值，即 ib 非 0 即 1。 有限域上的多項式及運(yùn)算 有限域 )2( 8GF 轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的多項式如下所示。在公式 npm? 中 m 表示階， p 則代表特征值。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。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。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。 SP 和 Feistel 結(jié)構(gòu)分別如圖 22(a)(b)所示。 AES 算法運(yùn)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(shí)現(xiàn)。分 組密碼把明文按一定長度進(jìn)行分組，一般為 128 位，然后同長度可擴(kuò)展的密鑰分組一起被送入加密算法，經(jīng)過一系列的變換和復(fù)雜運(yùn)算，最終將明文分組轉(zhuǎn)換成位寬相同的密文分組，加密過程至此結(jié)束。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。 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 4 第二章 AES 算法的原理研究 分組密碼的研究 分組密碼、序列密碼都屬于對稱密碼的范疇。因此，本次課題的學(xué)習(xí)目標(biāo)是重點(diǎn)掌握優(yōu)勢更為明顯的硬件實(shí)現(xiàn)方法。 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 3 表 11 ASIC 與 FPGA 性能對比 FPGA ASIC 數(shù)據(jù)并行處理 可并行 可并行 流水線 支持 支持 密鑰訪問權(quán)限 一般 嚴(yán)格 速度 較軟件實(shí)現(xiàn)方法快 非?？? 字長 可變 可變 抗干擾 一般 強(qiáng) 是否能進(jìn)行 功能配置 是 否 設(shè)計周期 較軟件實(shí)現(xiàn)方法長 很長 開發(fā)成本 昂貴 較貴 測試成本 昂貴 較貴 維護(hù)及更新成本 昂貴 較貴 描述硬件所使用的語言 Verilog HDL、 VHDL Verilog HDL、 VHDL 總的來說， AES 加密算法的軟件實(shí)現(xiàn)方法雖然具有便捷、經(jīng)濟(jì)，使用靈活，方便移植等優(yōu)點(diǎn)。 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。 硬件實(shí)現(xiàn)方式：優(yōu)點(diǎn)：可以方便地 設(shè)計并行處理以提高運(yùn)行速度，安全性能可靠。 優(yōu)點(diǎn)：便捷、經(jīng)濟(jì)，使用靈活，方便移植。 軟硬件實(shí)現(xiàn)方式的介紹 其實(shí)要想實(shí)現(xiàn) AES 算法有兩種手段，即軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)。 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證 ， 同時生成目標(biāo)文件。因此，該課題的首要任務(wù)就是對先前已有的 AES 算法進(jìn)行研究學(xué)習(xí)，然后再根據(jù)自己預(yù)期的功能需求對 AES 算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，包括S盒優(yōu)化、列混合變換優(yōu)化及 AES 流水線結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。 AES 的先進(jìn)性決定了其篩選的嚴(yán)格程度，這個征集過程歷時 3 年，進(jìn)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(jìn)行篩選，只剩下 5 個算法晉級，最后一輪又經(jīng)過詳細(xì)論證及三次研討會議，才最終確立了 Rijndael 算法 的先進(jìn)地位，并于 20xx 年將其命名為 AES 新一代高級加密標(biāo)準(zhǔn)。 早在上世紀(jì)末， NIST 就 預(yù) 見到在不久的將來對新的更安全的加密標(biāo)準(zhǔn)的迫切需求，因此， NIST開始在全球范圍征集優(yōu)秀的加密算法。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。硬件技術(shù)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率空前，數(shù)據(jù)交換越來越頻繁，且數(shù)據(jù)的位寬也越來越長， DES 的淘汰落伍似乎已成定局， DES 最致命的缺陷就是密鑰長度太短， 56 位的密鑰長度已經(jīng)不能勝任許多應(yīng)用。從上世紀(jì)七十年代到當(dāng)今的 21 世紀(jì)，這近 30 年間在加密標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域， DES 可謂是獨(dú)占鰲頭。 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀 DES 聯(lián)邦加密標(biāo)準(zhǔn)是從 1972 年開始提出計劃，并歷時 4 年，克服種種困難，在全球各優(yōu)秀的加密算法中鶴立雞群，在 1976 年一舉拿下美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)的 桂冠。相反，加、解密過程密鑰不同的稱為私鑰密碼體制。根據(jù)加、解密過程是否使用相同的密鑰，又能夠?qū)鹘y(tǒng)加密技術(shù)往下細(xì)分成私鑰和公鑰體制，即對稱和非對稱密碼體制。另一種則打破了常規(guī)思路，把量子密碼學(xué)、 DNA 技術(shù)以及混沌技術(shù)等一系列非常規(guī)手段應(yīng)用到了信息加密上，不可不謂是另辟蹊徑。加密技術(shù)和密碼分析技術(shù)兩者相互矛盾，多年以來它們相互競爭，于斗爭中加密技術(shù)飛速發(fā)展。 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。 AES 設(shè)計目的就是用于取代漸漸過時的 DES 以及其升級版本 3DES，進(jìn)入 21 世紀(jì)后， AES 算法開始走向成熟，被廣泛地應(yīng)用于各個不同領(lǐng)域，其實(shí)用性、安全性的強(qiáng)悍不容置疑。 然而，伴隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，計算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的安全性面臨空前的挑戰(zhàn)，事實(shí)上，實(shí)踐表明 DES 已漸漸不堪復(fù)用，無法滿足高端用戶的需求。就拿我們息息相關(guān)的現(xiàn)實(shí)生活來說，我們的私人賬號，個人密碼，網(wǎng)絡(luò)賬戶資料等信息在互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸交換過程都離不開加密技術(shù)，有了足夠安全的加密方法，我們才能更從容地享受信息時代的極大便利性。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)項目。 Verilog HDL 。 Encryption Standard 。最后給出了用 SYNOPSYS 的 DC 和 ASTRO 進(jìn)行 綜合以及 自動布 線的設(shè)計過程。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。課題完成過程中的主要內(nèi)容包括 AES 加密算法的原理分析和優(yōu)化設(shè)計，以及后續(xù)的硬件實(shí)現(xiàn)。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)項目。 學(xué)生簽名 : 日 期 : I 基于 Verilog HDL 的 AES 加密電路設(shè)計 摘 要 現(xiàn)在的信息化社會，計算機(jī)技術(shù)正飛速地朝著 快速、便攜方向發(fā)展，這就意味著電子形式的數(shù)據(jù)及個人信息正逐漸被我們廣泛使用。 畢業(yè)設(shè)計報告 (論文 ) 基于 Verilog HDL 的 AES 加密電路設(shè)計 所屬系 電子工程 系 專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號 01310248 姓 名 張 學(xué) 敏 指導(dǎo)教師 王 剛 起訖日期 設(shè)計地點(diǎn)