Atmega128單片機的RC5和RC6算法比較與改進
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引言
在無線局域網(wǎng)中，傳輸?shù)慕橘|(zhì)主要是無線電波和紅外線，任何具有接收能力的竅聽者都有可能攔截無線信道中的數(shù)據(jù)，掌握傳輸?shù)膬?nèi)容，造成數(shù)據(jù)泄密。因此，對于無線局域網(wǎng)來說，數(shù)據(jù)的加密是關(guān)鍵技術(shù)之一。
AVR高速嵌入式單片機是8位RISC MCU，執(zhí)行大多數(shù)指令只需一個時鐘周期，速度快（8MHz AVR的運行速度約等于200MHz C51的運行速度）；32個通用寄存器直接與ALU相連，消除和運算瓶頸。內(nèi)嵌可串行下載或自我編程的Flash和EPPROM，功能繁多，具有多種運行模式。
依照IEEE1999年發(fā)布的802.11無線局域網(wǎng)協(xié)議標準，采用Atmel公司的Atmega128高速嵌入式單片機，開發(fā)無線數(shù)據(jù)傳輸裝置。為了實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸時的安全性，同時盡可能節(jié)省成本，采用軟件進行加密、解密。這就對算法的簡法性、高速性及適應(yīng)性提出了很高的要求。RC5和RC6兩種新型的分組加密算法能夠比較好地滿足上述的要求。
RC5及RC6是參數(shù)變量的分組算法，實際上是由三個參數(shù)確定的一個加密算法族。一個特定的RC5或者RC6可以表示為RC5-w/r/b或者RC6-w/r/b。其中這三個參數(shù)w、f和b分別按照表1所列定義。
表1 RC5及RC6算法參數(shù)定義
| 參 數(shù) | 定 義 | 常 用 |
| w | 以比特表示的字的尺寸 | 16,32,64 |
| r | 加密輪數(shù) | 0～255 |
| b | 密鑰的字節(jié)長度 | 0～255 |
1.2 RC5及RC6字運算部件
RC5及RC6均由三部分組成，分別為混合密鑰生成過程、加密過程和解密過程。在這兩種算法中，共使用了六種基本運算：
①模2w加法運算，表示為“+”；
②模2w減法運算，表示為“-”；
③逐位異或運算，表示為+；
④循環(huán)左移，字a循環(huán)左移b比特表示為“ab”；
⑤循環(huán)右移，字a循環(huán)右移b比特表示為“a>>>b”；
⑥模2w乘法，表示為“×”。
RC5算法運用了上述的①～⑤運算部分，RC6算法使用了上述所有的運算部件。
1.3 RC5算法
（1）RC5算法混合密鑰生成過程的偽代碼表示
S[0]=Pw
for i=1 to t-1 do
S[i]=S[i-1]+Qw
輸入比特數(shù)大小為8，密鑰長度為b的用戶密鑰K[0]至K[b-1]
轉(zhuǎn)換K[0]至K[b-1]為數(shù)組長度為c，比特數(shù)為w的L[]數(shù)組
i=j=0 x=y=0
do 3×max(t,c)times：
S[i]=(S[i]+x+y)3;X=S[i];i=(i+1)mod t
L[j]=(L[j]+x+y)(x,y);X=L[j];j=(j+1)modC
其中c=[b×8/w]方括號表示上取整運算，t=2r+2，當w分別為16、32、64時，常數(shù)Pw、Qw分別如表2所列。
表2 常數(shù)Pw、Qw取值表
| W | 16 | 32 | 64 |
| Pw | 0xB7E1 | 0xB7E15163 | 0xB7E151628AED2A6B |
| Qw | 0x9E37 | 0x9E3779B9 | 0x9E3770B97F4A7C15 |
（2）RC5加密算法過程的偽代碼表示
Input(A,B)
A=A+S(0)B=B+S[1]
for i=1 to r do
A=((A+B)B)+S[2i]
B=((B+A)A)+S[2i+1]
Output(A,B)
其中初始的A、B分別為要加密的兩個比特數(shù)為w的數(shù)據(jù)，最終的A、B分別為加密好的兩個比特數(shù)為w的數(shù)據(jù)。
（3）RC5解密算法過程的偽代碼表示
Input(A,B)
for i=r down to 1 do
B=((B-S[2i+1])>>>A)+A
A=((A-S[2i])>>>B)+B
A=A-S[0] B=B-S[1]
Output (A,B)
其中初始A、B中的數(shù)據(jù)就是已經(jīng)加密了的比特數(shù)為w的數(shù)據(jù)，最終的A、B中的數(shù)據(jù)為解密后的比特數(shù)為w的數(shù)據(jù)。
1.4 RC6算法
（1）RC6算法混合密鑰生成過程偽代碼表示
RC6混合密鑰生成過程與RC5相同，只是t的取值為2r+4。
（2）RC6加密算法過程偽代碼表示
2.2 AVR單片機RC5和RC6算法的改進
①在進行算法流程的安排時，考慮到AVR高速嵌入式單片機只有32個8位寄存器，為了節(jié)省寄存器的使用，應(yīng)該在混合密鑰生成過程執(zhí)行后，再把待加密的數(shù)據(jù)賦予寄存器。這樣在混合密鑰生成過程以前的寄存器都可以被使用，而不會對整個算法的執(zhí)行結(jié)果造成影響。
②在進行RC5及RC6算法參數(shù)的選擇時，考慮到AVR高速嵌入式單片機指令最多只支持16位數(shù)據(jù)相加以及程序的簡潔化，所以在本程序中選擇w為16而沒有選擇w為32，r和b的值依據(jù)Rivest的建議分別取為12和16。
③在執(zhí)行算法中的左循環(huán)或者右循環(huán)運算時，考慮到循環(huán)移位的效果，實際循環(huán)移位的位數(shù)應(yīng)該為要執(zhí)行移位次數(shù)的低1log2w位。在本程序中為要執(zhí)行移位次數(shù)的后四位。
④在執(zhí)行算法中的模2w加法運算、模2w減法運算、模2w乘法運算時，由于2w的取值為65536,而2個8位寄存器（0～15位）最高可以表示數(shù)據(jù)的值為65535，數(shù)據(jù)再大就要向高位進位，所以在本程序執(zhí)行上述的算法只需要考慮到2個8位寄存器所表達的值就得到了上述運算的最終結(jié)果，而不用再進行模2w運算。
⑤為了提高數(shù)據(jù)加密及解密的速率，可以把混合密鑰生成過程提前執(zhí)行，以使之生成一張混合密鑰表。把這個表裝入發(fā)送數(shù)據(jù)端Atmega128高速嵌入式單片機和接收數(shù)據(jù)端Atmega128高速嵌入式單片機的Flash中，從而在以后的加密與解密過程中直接使用混合密鑰。值得注意的是，每當用戶輸入的用戶密鑰發(fā)生改變時，必須重新執(zhí)行混合密鑰生成過程，并且重新給Flash裝載重新生成后的混合密鑰表。在本程序中，RC5混合密鑰表共占據(jù)52個8位寄存單元，RC6混合密鑰表共占據(jù)56個8位存儲單元。
⑥在本程序中運用加法運算以及移位運算實現(xiàn)了16位二進制數(shù)乘以16位二進制數(shù)的無符號運算。該運算的子程序如下：
chengfa:clr result2
clr result3
ldi count1,16
lsr chengshu1
ror chengshu0
chengfa0:
brcc chengfa1
add result2,beichengshu0
adc result3,beichengshu1
chengfa1:
ror result3
ror result2
ror result1
ror result0
dec count1
brne chengfa0
ret
3 RC5及RC6算法實驗結(jié)果及其比較與分析
RC5及RC6算法實驗的混合密鑰過程、加密過程、解密過程和總體過程的效果比較如表3、4、5、6所列。
表3 RC5及RC6算法混合密鑰過程效果比較
| 混合密鑰生成過程 | 周期計數(shù) | 停止觀察/μs | 程序大小/字 | c | t |
| RC5算法 | 15 248 | 1270.67 | 141 | 8 | 26 |
| RC6算法 | 15 246 | 1270.50 | 141 | 8 | 28 |
表4 RC5及RC6算法加密過程效果比較
| 加密過程（不考慮生成混合密鑰的時間） | 周期計數(shù) | 停止觀察/μs | 程序大小/字 | 共處理數(shù)據(jù)的位數(shù) | 效率/（位/s) |
| RC5算法 | 2511 | 209.25 | 66 | 32 | 約為152 927 |
| RC6算法 | 62529 | 5210.75 | 170 | 64 | 約為12 282 |
表5 RC5及RC6算法解密過程效果比較
| 解密過程（不考慮生成混合密鑰的時間） | 周期計數(shù) | 停止觀察/μs | 程序大小/字 | 共處理數(shù)據(jù)的位數(shù) | 效率/（位/s） |
| RC5 算法 | 2509 | 209.08 | 68 | 32 | 約為153 051 |
| RC6 算法 | 62527 | 5210.58 | 176 | 64 | 約為12 283 |
表6 RC5及RC6算法總體過程效果比較
| 總體算法過程（考慮生成混合密鑰的時間，不考慮數(shù)據(jù)傳輸所用的） | 周期計數(shù) | 停止觀察/μs | 程序大小/字 | 共處理數(shù)據(jù)的位數(shù) | 效率/(位/s) |
| RC5算法 | 20 260 | 1688.33 | 267 | 32 | 約為18 594 |
| RC6算法 | 140 274 | 11 689.50 | 455 | 64 | 約為5475 |
由表3可以發(fā)現(xiàn)，RC6算法和RC5算法在混合密鑰生成時程序的大小相同，但量RC6算法卻比RC5算法省時。這是因為根據(jù)混合密鑰生在方法在執(zhí)行循環(huán)，最終生成混合密鑰時要執(zhí)行比較操作。當超出了比較范圍t時，要對指針地址重新復(fù)位。RC6算法t的取值大于RC5算法中t的取值，因此RC6算法執(zhí)行了較少的復(fù)位操作。從而節(jié)省了運行周期，故RC6算法比RC5算法在生成混合密鑰時省時。
以上所有實驗結(jié)果均是在AVR Studio4.07仿真軟件上選用Atmel公司的Atmega128高速嵌入式單片機為實驗設(shè)備平臺。選取參數(shù)w=16、r=12、b=16，并根據(jù)計算公式求得c=8，t=26(RC5算法)或者t=28（RC6算法）在12MHz運行速度下模擬所得。
從實驗結(jié)果所得的表3、表4、表5、表6可以明確得出以下結(jié)論。
①從程序的執(zhí)行效率來看，無論在加密還是在解密過程中，RC5算法都要比RC6算法執(zhí)行效率高。
因此，在一些非常注重程序執(zhí)行效率，而對數(shù)據(jù)安全性要求不是非常高的情況下，應(yīng)該采用RC5算法。
②從程序的執(zhí)行時間來看，無論在加密過程不是在解密過程中，RC5算法都要比RC6算法省時。因此，在一些對程序執(zhí)行時間長短要求很高，對數(shù)據(jù)安全性要求不是非常高的情況下，可以采用RC5算法。
③從程序的大小來看，無論在加密過程中還是在解密過程中，RC5算法都要比RC6算法更簡潔。因此，在一些對程序所用空間大小要求很高，對數(shù)據(jù)安全性要求不是非常高的情況下，可以采用RC5算法。
④從安全性角度考慮，RC6算法是在RC5算法基礎(chǔ)之上針對RC5算法中的漏洞，主要是循環(huán)移位的位移量并不取決于要移動次數(shù)的所有比特，通過采用引入乘法運算來決定循環(huán)移位次數(shù)的方法，對RC5算法進行了改進，從而大大提高了RC6算法的安全性。因此，在一些對數(shù)據(jù)安全性要求很高的情況下，應(yīng)該采用RC6算法。
結(jié)語
RC5及RC6算法是兩種新型的分組密碼，它們都具有可變的字長，可變的加密輪數(shù)，可變的密鑰長度；同時，它們又只使用了常見的初等運算操作，這使它們有很好的適應(yīng)性，很高的運算速度，并且非常適合于硬件和軟件實現(xiàn)。兩種算法各有其優(yōu)缺點，在工程應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)實際需要選擇最適合的方法，以得到最優(yōu)的效果。
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