一種AES密碼算法的硬件實(shí)現(xiàn)

0 引言
密碼模塊是安全保密系統(tǒng)的重要組成部分，其核心任務(wù)就是加／解密數(shù)據(jù)。目前，分組密碼算法AES以其高效率、低開(kāi)銷(xiāo)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于密碼模塊的研制。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟與發(fā)展，通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)密鑰模塊的內(nèi)部運(yùn)作，可保證在外界無(wú)密鑰的明文流動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的保密。此外，硬件實(shí)現(xiàn)還具有高速、高可靠性等特點(diǎn)。目前許多AES算法的硬件實(shí)現(xiàn)采用基于RAM查找表方式來(lái)實(shí)現(xiàn)算法中最關(guān)鍵的SubBytes部分。本文采用復(fù)合域來(lái)實(shí)現(xiàn)SubBytes部分的求逆運(yùn)算，以便于采用組合邏輯減小面積。同時(shí)采用加／解密運(yùn)算中列變換的部分電路進(jìn)行復(fù)用，從而進(jìn)一步節(jié)省實(shí)現(xiàn)面積。這樣可以使AES密碼應(yīng)用于RFID系統(tǒng)，IC卡等面積要求較小的場(chǎng)合。

1 AES算法簡(jiǎn)介
AES算法是一種迭代型分組密碼，其分組長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度均可變，各自可以獨(dú)立指定為128 b，192 b，256 b。本文主要討論分組長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度為128 b的情況。AES算法是將輸入的明文(或密文)分成16個(gè)字節(jié)，在第一個(gè)Add Round Keys變換后進(jìn)入10輪迭代。迭代過(guò)程的前9輪完全相同，依次經(jīng)過(guò)字節(jié)代替(substitute bytes)、行移位(shift rows)、列混合(mixcolumns)、輪密鑰加(add round keys)，最后一輪則跳過(guò)了列混合(mix columns)。解密過(guò)程與加密過(guò)程類(lèi)似，但執(zhí)行順序與描述內(nèi)容有所不同，因此AES算法的加解密運(yùn)算需要分別實(shí)現(xiàn)。

2 AES算法的硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)AES算法的原理和基本結(jié)構(gòu)，將整個(gè)AES算法模塊分成4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子模塊：接口模塊、控制單元模塊、加解密運(yùn)算模塊、密鑰擴(kuò)展模塊。本文所設(shè)計(jì)的密碼算法不包括密鑰發(fā)生器，所用的密鑰通過(guò)接口模塊由外部輸入，加解密運(yùn)算后的數(shù)據(jù)經(jīng)輸出接口輸出。AES算法模塊的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1 接口模塊的設(shè)計(jì)
輸入接口模塊的主要任務(wù)是：將數(shù)據(jù)傳送到加解密運(yùn)算模塊，將外部輸入的密鑰傳送到密鑰擴(kuò)展模塊。由于明文和密鑰輸入都是128位，將導(dǎo)致整個(gè)模塊的輸入／輸出過(guò)多，占用太多資源，考慮到本文的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于對(duì)面積要求較小的場(chǎng)合使用，如RFID系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸，即每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是64位，故采用4個(gè)32位寄存器，在時(shí)鐘的控制下每次輸入1組32位，通過(guò)4個(gè)時(shí)鐘周期可得到128位的數(shù)據(jù)，可以有效減少資源的占用。輸出接口模塊的作用是將128位的解密運(yùn)算結(jié)果輸出，同樣也采取32位分4組輸出的方法。