【正文】 ....... 20 DC 生成的門(mén)級(jí)電路和報(bào)告 ........................................................................................ 20 Astro 版圖生成流程 ................................................................................................... 23 Astro 生成的版圖 ....................................................................................................... 23 第五章 總結(jié)與展望 ......................................................................................................................... 25 全文總結(jié) ........................................................................................................................... 25 展望 .................................................................................................................................. 25 致 謝 .............................................................................................................................................. 26 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................... 27 東南大學(xué)成賢學(xué)院畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 課題研究背景及意義 在我們工作和生活的當(dāng)今社會(huì)中，信息技術(shù)飛速地發(fā)展，個(gè)人數(shù)據(jù)的安全性日益被人們重視， 網(wǎng)絡(luò) 信息安全 這個(gè)名詞逐漸進(jìn)入人們的眼球。加密技術(shù)不僅局限于計(jì)算機(jī)范疇，現(xiàn)在已經(jīng)涉及到生物醫(yī)療、國(guó)防、航天等等領(lǐng)域。 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 。因此，從 1997年 1 月開(kāi)始，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 （ NIST） 高瞻遠(yuǎn)矚地開(kāi)始征集新一代的加密標(biāo)準(zhǔn)，并在 20xx年 11 月公布了高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn) （ AES） ，從此確立了 AES 加密算法在數(shù)據(jù)加密算法領(lǐng)域不可動(dòng)搖的地位。 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。為了使用戶的數(shù)據(jù)得到保護(hù)，運(yùn)用高效的算法和協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和認(rèn)證的技術(shù)被稱為密碼編碼技術(shù)，相反，通過(guò)分析算法和協(xié)議，進(jìn)行各種攻擊從而達(dá)到破解密碼的目的的行為稱為密碼分析技術(shù)。 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)。 本文的主要研究對(duì)象是傳統(tǒng)的基于數(shù)學(xué)的密碼理論。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。 1976 年 ，在美國(guó)斯坦福大學(xué)這個(gè)自由的學(xué)術(shù)天堂， Diffie 和 Hellman 提出了具有建設(shè)性意義的公鑰密碼的思想，時(shí)至今日，公鑰密碼早已經(jīng)早已傳遍大江南北，在全球范圍內(nèi)廣泛流傳，大量的應(yīng)用使其不斷發(fā)展，這過(guò)程中公鑰密碼又得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并向下衍生出許多版本， RSA 和 Rabin 體制、DiffieHellman 和 ElGamal 體制等等。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(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。 然而，在瞬息萬(wàn)變的今天，新生事物層出不窮，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的更新?lián)Q代速率更是驚人的快。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。因此，新的加密算法的升級(jí)換代迫在眉睫。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。 課題主要研究?jī)?nèi)容 設(shè)計(jì)流程的介紹 要設(shè)計(jì)一個(gè) AES 加密電路，其核心就是 AES 加密算法的實(shí)現(xiàn)。接下來(lái)就是 AES 算法的實(shí)現(xiàn)了。在完成基本設(shè)計(jì)后，使用 SYNOPSYS 的 DC 和 ASTRO 進(jìn)行 綜合以及 自動(dòng)布圖設(shè)計(jì)， 最后 利用 CADENCE 進(jìn)行模擬和驗(yàn)證。 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。 缺點(diǎn)：安全性能堪憂，處理速率不高，運(yùn)行效率較低。 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。 [7]對(duì)比這兩種實(shí)方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表 11 所示。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。另外，由于本次畢設(shè)的最終要求是完成版圖的設(shè)計(jì)，所有工作都是基于模擬層面， 不需要制作出昂貴的板子，所以課題要求選擇用抗干擾能力更強(qiáng)的 ASIC 方法來(lái)實(shí)現(xiàn)AES 加密電路?，F(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。分組密碼的設(shè)計(jì)思想就是把密鑰擴(kuò)展算法從加密算法的整體中分割出來(lái)，密鑰的擴(kuò)展不收加密算法的影響。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。 圖 21 迭代型分組密碼結(jié)構(gòu) 從結(jié)構(gòu)上來(lái)看的話，迭代型分組密碼又可以往下細(xì)分成三大類(lèi)，包括 Feistel 結(jié)構(gòu)、 SP 結(jié)構(gòu)以 及其它結(jié)構(gòu)。 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(lèi)型是 SP，因此，本文著重介紹 SP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，便于分析。 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。 AES 加密算法的數(shù)學(xué)理論 含有有限個(gè)元素的域 有限域的，我們把它定義成一個(gè)域中包含的要素的個(gè)數(shù)是有限的，且這個(gè)集合中單個(gè)要素的個(gè)數(shù)我們將它定義成有限域的階。在 AES 加密算法中，最常用的特征值是 2。 012211)( . .. bxbxbxbb nnnnx ????? ???? ， Fbi? () 由式（ ）我們可以看出，以一個(gè) 8 位的數(shù)據(jù)為例，轉(zhuǎn)換后的多項(xiàng)式如式 所示。舉個(gè)列子，現(xiàn)在有一個(gè)多項(xiàng)式 157 ??? xxx ，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}。 舉個(gè)例子，十六進(jìn)制數(shù) {A3}? {89}多項(xiàng)式計(jì)算如（ ）所示。選取一個(gè) L 次多項(xiàng)式 )(xm ，稱其為約化多項(xiàng)式。因此，多項(xiàng)式 )(xa和 )(xb 的乘積表示為模約化多項(xiàng)式 )(xm 下多項(xiàng)式的代數(shù)乘積 [7]。 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： 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(xiàng)式的乘積可以用 16 進(jìn)制數(shù) {C1} 表示。那么乘積結(jié)果減 )(xm ，與 16 進(jìn)制數(shù) {1B} 異或。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)。它由兩個(gè)子轉(zhuǎn)換組成 。每個(gè)字節(jié)的乘法逆元素運(yùn)算： )()( 1 xx AB ?? 1348)( ????? xxxxm x () 仿射變換（這個(gè)步驟執(zhí)行 )(28GF ）： )()( )18m o d ( xxx CBD x ?? ??）（ () 1}{1 234 ?????? xxxxF? 加密過(guò)程 xxxA ???? 36}4{? 解密過(guò)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(méi)有定點(diǎn) ,或沒(méi)有相反的定點(diǎn)。表中數(shù)據(jù)的大小是 8 位 16*16即 256 x 8 位的 ROM，數(shù)據(jù)規(guī)模不大，可以以一個(gè)簡(jiǎn)單的方式與現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具相結(jié)合。這種情況下，主要問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)高效 Sbox。根據(jù) Rijndael,AES應(yīng)用了多項(xiàng)式 1348)( ????? xxxxm x 。大部分的作者和設(shè)計(jì)工程師都認(rèn)為 )()( 1 xx AB ?? 的計(jì)算是相當(dāng)復(fù)雜的。以下列舉兩個(gè)方法： (1)結(jié)合表 21 進(jìn)行查表； (2)使用 CAD 工具優(yōu)化邏輯功能，合成并優(yōu)化邏輯函數(shù)，計(jì)算元素的反演 )(28GF 。元素 )(28GF 中定義的映射 24)2(GF 。這種方法既吸引了 ()的技術(shù)，又和 ()中的許多有用的想法相一致。沒(méi)有必要進(jìn)一步分解復(fù)合場(chǎng)最低的地場(chǎng)。然而，總的來(lái)，我們必須把 )2( kGF 中的元素映射到mnGF )2( ，其中 mnk? 。元素 )(28GF 可以被映射到元素24)2(GF ，利用多項(xiàng)式 142)( ???? xxr x 表示元素 )2( 4GF ，其中 14)( ??? xxI x 是初始的不可約多項(xiàng)式。 1010000010101100110100100111000011000110010100100000101011011101?T ,00100100111011101010010001011010101100100111001010110000010100011 ??T ()() 上圖左側(cè) 的元素在上面的矩陣 中 表示最低有效位。 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) 。 令數(shù)據(jù)字節(jié)表示成cbxbcA ??? }{ ，那么 qpxpqAB ???? ? }{1 。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。字節(jié)替換計(jì)算也是 KeyScheduling 計(jì)算過(guò)程所需的關(guān)鍵。然而只有32 位 :4 字節(jié)替換 8 位的需求。 S 盒如表 21 所示。 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。 這種 輪密鑰用于加密或解密的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是動(dòng)態(tài)計(jì)算。 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。因此，可想而知在我們現(xiàn)實(shí)生活的應(yīng)用中，所要加密的