基于FPGA的AES密碼算法設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN918.4"文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

摘要：在邏輯資源少的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）上實(shí)現(xiàn)高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）"算法設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn);現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列;低成本;并行總線接口

引言

密碼學(xué)是保障信息安全的核心技術(shù)，應(yīng)用涉及軍事、國(guó)防、商貿(mào)及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面。2001年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所決定用AES算法逐漸取代日益不安全的56"bit密鑰長(zhǎng)度的""數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES）算法。AES"算法是迭代分組密碼算法，分組長(zhǎng)度為128"bit，而密鑰長(zhǎng)度可為128"bit、192"bit、256"bit，其對(duì)應(yīng)不同的密鑰長(zhǎng)度相應(yīng)的迭代循環(huán)次數(shù)為"10輪、12輪、14"輪。現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)的是128"bit的AES算法。

一種AES算法實(shí)現(xiàn)是采用輪展開(kāi)的流水線結(jié)構(gòu)，吞吐量很大可達(dá)到"10"Gb/s"量級(jí)，但消耗大量的邏輯面積。考慮在資源少的FPGA上實(shí)現(xiàn)AES算法，能滿(mǎn)足低端應(yīng)用的加、解密速度一般不超過(guò)100"Mb/s的需求?，F(xiàn)設(shè)計(jì)采用順序結(jié)構(gòu)，多輪加密共用一個(gè)輪運(yùn)算結(jié)構(gòu)，加密模塊和解密模塊共用一個(gè)密鑰擴(kuò)展模塊，能保持較高加解密速率，同時(shí)節(jié)省了邏輯面積，在50"MHz時(shí)鐘下加解密速率可達(dá)530"Mb/s。

1、AES"算法描述

AES算法中的字節(jié)表示為有限域"GF"（28）上的元素，并在有限域上定義加法和乘法兩種運(yùn)算，運(yùn)算的基本單位是字節(jié)和雙字（4個(gè)字節(jié)）。AES算法將128位的中間結(jié)果和密鑰都分成16個(gè)字節(jié)，構(gòu)成4×4以字節(jié)為元素的狀態(tài)矩陣，AES在加解密過(guò)程中就是以狀態(tài)矩陣為操作對(duì)象的。加密算法中每一次輪操作都由字節(jié)替換、行移位、列混淆和輪密鑰加這四個(gè)函數(shù)組成，最后一次輪操作不含列混淆操作。

2、在"FPGA"上實(shí)現(xiàn)"AES"算法

2.1"頂層結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)的頂層結(jié)構(gòu)由控制模塊、加密模塊、解密模塊、密鑰擴(kuò)展模塊、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和FIFO組成。接口采用16位并行數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)。加密數(shù)據(jù)流向?yàn)椋好魑臄?shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線寫(xiě)入16位入128位出的FIFO緩存;由控制模塊啟動(dòng)AES加密模塊進(jìn)行一次加密運(yùn)算;"運(yùn)算完成輸出128bit密文存入128位入16位出的"FIFO中。解密過(guò)程與之相同。加密模塊和解密模塊完全獨(dú)立，保證模塊能同時(shí)進(jìn)行加密和解密運(yùn)算，以滿(mǎn)足快速雙向保密通信的需求。

2.2""加解密部分設(shè)計(jì)

2.2.1"加密模塊

由于輸入8次16位數(shù)據(jù)才能提供一個(gè)128"bit明文，這一過(guò)程至少需要8個(gè)時(shí)鐘，因此采用邏輯面積較大的多輪展開(kāi)流水線結(jié)構(gòu)方式意義不大。該設(shè)計(jì)采用多輪運(yùn)算復(fù)用一個(gè)輪操作結(jié)構(gòu)的順序方式。

輪運(yùn)算包括輪密鑰加、字節(jié)替換、行移位和列混淆"4"個(gè)部分。其中，輪密鑰加只是輪數(shù)據(jù)與輪密鑰進(jìn)行異或運(yùn)算，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單;行移位也只是簡(jiǎn)單的邏輯連線，幾乎不產(chǎn)生時(shí)延并且?guī)缀醪缓倪壿嬞Y源。

字節(jié)替換如果采用"GF（28"）模乘求逆運(yùn)算[4]實(shí)現(xiàn)，則邏輯延時(shí)較長(zhǎng)，速度較慢。為加快速度，采用時(shí)延小的基于只讀存儲(chǔ)器（ROM）查找方式的S盒結(jié)構(gòu)，即輸入8bit數(shù)據(jù)作為地址而相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出則為字節(jié)替換后的8"bit數(shù)據(jù)。S盒結(jié)構(gòu)若采用基于塊存儲(chǔ)的查找表（LUT）來(lái)實(shí)現(xiàn)，一個(gè)輪運(yùn)算中16個(gè)"S盒將占用16×128個(gè)"LUT，占用邏輯資源較大?？刹捎肍PGA內(nèi)部集成的塊"RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)"S"盒。

列混淆是系數(shù)在有限域"GF（28）上的四次多項(xiàng)式矩陣乘法，輸入列向量（X0，"X1，"X2，"X3），輸出列向量（Y0，"Y1，"Y2，"Y3），加密過(guò)程是在GF（28）上乘以01、02、03、01，解密過(guò)程是乘以"09、0E、0B、0D。為了優(yōu)化用"FPGA"邏輯實(shí)現(xiàn)，采用一個(gè)xtime函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)GF（28）上的乘02運(yùn)算，對(duì)輸入的一個(gè)字節(jié)b做以下變換：xtime"="{"b[6：0]，"1'b0"}"^"（"8'h1b"amp;{"8{"b[7]}"}"）。則列混淆在GF（28）上所有矩陣乘法就可以通過(guò)分解成有限個(gè)xtime運(yùn)算和異或運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。

輪密鑰加、行移位和列混淆三步運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的邏輯資源較少并且邏輯時(shí)延較小，可以合并在一個(gè)寄存器傳輸層間實(shí)現(xiàn)。

2.2.2"密鑰擴(kuò)展模塊

密鑰擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，只需要4"個(gè)"S盒和一個(gè)輪常數(shù)字計(jì)算模塊，外加一些異或運(yùn)算和邏輯連線即可完成。密鑰擴(kuò)展模塊也是一個(gè)迭代運(yùn)算的結(jié)構(gòu)，與加密模塊的輪運(yùn)算同步，即每個(gè)時(shí)鐘計(jì)算出一輪加密的密鑰。當(dāng)解密密鑰更新時(shí)，密鑰擴(kuò)展模塊計(jì)算出的各輪密鑰作為解密的輪密鑰，需要按每個(gè)時(shí)鐘存儲(chǔ)在"RAM"中，解密運(yùn)算時(shí)從RAM中讀取。

2.3""接口設(shè)計(jì)

模塊的外部接口采用了"16"位數(shù)據(jù)總線的接口。由于輸入的加密密鑰和解密密鑰各"128位，占用地址為128×2/16=16"個(gè)。另外，加密需要一個(gè)輸入明文寄存器和一個(gè)輸出密文寄存器，解密需要一個(gè)輸入密文寄存器和一個(gè)輸出明文寄存器。因此芯片地址數(shù)總共"20，即需要"5"位地址線。接口讀寫(xiě)時(shí)序的設(shè)計(jì)以"TMS320C5509"型號(hào)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）總線讀寫(xiě)時(shí)序作為標(biāo)準(zhǔn)。16"位數(shù)據(jù)線采用雙向三態(tài)設(shè)計(jì)。16"位三態(tài)口由片選信號(hào)"CS"和讀使能信號(hào)RDE"控制，當(dāng)"CS"和"RDE"均有效時(shí)三態(tài)口數(shù)值為輸出數(shù)據(jù)寄存器的值以輸出數(shù)據(jù)，否則三態(tài)口數(shù)值為高阻將數(shù)據(jù)輸入。

3、測(cè)試與分析

3.1""加密模塊和解密模塊功能仿真

用Xilinx"ISE"Simulator分別對(duì)加密模塊和解密模塊進(jìn)行信號(hào)仿真，仿真圖如圖1和圖2所示。

兩圖中"text_in[127：0]為輸入數(shù)據(jù)，key[127：0]為密鑰，text_in[127：0]為輸出數(shù)據(jù)。在圖4和圖"5中，明文均為（3243，"F6A8，"885A，"308D，"3131，"98A2，"E037，"0734"H），密鑰均為（2B7E，"1516，"28AE，"D2A6，"ABF7，"1588，"09CF，"4F3C"H），密文均為（3925，"841D，"02DC，"09FB，"DC11，"8597，"196A，"0B32"H），證明其加密和解密正確。

圖1加密結(jié)果信號(hào)仿真

圖2解密結(jié)果信號(hào)仿真

3.2"功能測(cè)試

將設(shè)計(jì)的FPGA模塊連接到TI的5509的DSP開(kāi)發(fā)板的總線擴(kuò)展口，F(xiàn)PGA"模塊通過(guò)"JTAG"線與計(jì)算機(jī)連接，DSP開(kāi)發(fā)板通過(guò)仿真器與計(jì)算機(jī)連接。通過(guò)"C"程序?qū)⒚魑暮兔荑€寫(xiě)入FPGA"模塊，加密后讀出密文，解密過(guò)程與之類(lèi)似。通過(guò)"DSP"測(cè)試，結(jié)果與"3.1"仿真結(jié)果完全一致，證明"AES算法在FPGA"上準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。

使用在線調(diào)試邏輯分析軟件通過(guò)JTAG口對(duì)FPGA總線接口的信號(hào)波形進(jìn)行采樣并顯示，地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)正確。通過(guò)加密或解密時(shí)連續(xù)輸出128"bit結(jié)果間隔的時(shí)鐘數(shù)可以計(jì)算出，在50"MHz時(shí)，數(shù)據(jù)處理能力可達(dá)530"Mb/s。

4、結(jié)語(yǔ)

所采用的AES算法設(shè)計(jì)采用16位并行總線接口，能方便的與上層處理器擴(kuò)展。在算法實(shí)現(xiàn)上，采用多輪運(yùn)算共用一個(gè)輪結(jié)構(gòu)的迭代結(jié)構(gòu)，適用于在較少邏輯資源的"FPGA"芯片上實(shí)現(xiàn)，滿(mǎn)足了較高吞吐率和較小的芯片面積的應(yīng)用需求，能滿(mǎn)足當(dāng)前各種數(shù)據(jù)流的加密。算法的實(shí)現(xiàn)采用ROM來(lái)實(shí)現(xiàn)字節(jié)替換，同時(shí)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)列混淆運(yùn)算。該設(shè)計(jì)在賽靈思（Xilinx）"公司的xc3s500e芯片上實(shí)現(xiàn)，僅占用4230個(gè)Slice，其中7222個(gè)LUT和1758個(gè)觸發(fā)器，消耗的邏輯資源較少。

作者簡(jiǎn)介：

蔡亮（1982-）江西南昌人，江西科技學(xué)院計(jì)算機(jī)中心，助教，本科，研究方法：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。