基于STM32單片機的AES算法優(yōu)化與實現(xiàn)

許韞韜，呂志剛，黃義國,2，李曉艷

(1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021；2.江蘇無線電廠有限公司，江蘇 南京 210012)

0 引言

當(dāng)今社會，隨著時代的不斷進(jìn)步，人類的科技生活已經(jīng)逐步邁入信息化的時代。然而，人們在享受信息通信所帶來的便利和快捷的同時，難免會遇到信息泄漏或竊取事件，保障重要信息通信的安全性已逐漸成為社會關(guān)注的熱點。密碼學(xué)是保證信息通信安全的有效辦法之一，人們可以利用密碼學(xué)中的各種數(shù)據(jù)加密算法，對一些重要的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理，從而有效提高信息的安全防護(hù)能力，降低信息在通信過程中泄露的風(fēng)險，有效保護(hù)人們的信息安全[1-2]。

在實際的加解密處理中，高級加密標(biāo)準(zhǔn)(advanced encryption standard，AES)是現(xiàn)階段通用的區(qū)塊分組式加密標(biāo)準(zhǔn)。其硬件實現(xiàn)方式相對于軟件實現(xiàn)，具有更高的物理安全性和運行速率。在密碼學(xué)中，對稱分組密碼算法能夠完成置換運算的基本結(jié)構(gòu)就是S盒(substitution-box)。密碼學(xué)的不斷革新，推動了密碼破解技術(shù)的發(fā)展。由于各種攻擊方法相繼涌現(xiàn)，AES算法在密碼學(xué)的地位也受到了一定的沖擊。其主要原因在于，AES算法自身仍存在不足。諸如算法結(jié)構(gòu)層次上具有一定的缺陷，加、解密的結(jié)構(gòu)不對稱，擴展密鑰的安全等級不高等[3]。針對AES算法在密鑰擴展過程存在的不足，提出了一種優(yōu)化方案，分別通過MATLAB仿真軟件和STM32處理器對優(yōu)化后的AES算法進(jìn)行了研究。該算法具有很好的安全性和可靠性。

1 AES算法及優(yōu)化

1.1 算法概述

AES算法又稱Rijndael算法，是現(xiàn)階段加密方面使用最為廣泛的對稱分組式算法之一[4]。AES算法的制定是為了替代已被攻破的美國數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(data encryption standard，DES)算法。AES算法在算法結(jié)構(gòu)上采用的是SPN結(jié)構(gòu)，通過特殊迭代密碼，可以有效地抵御現(xiàn)有的多種密碼攻擊方式[5]。由此可見，AES算法的抗密碼能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于被淘汰的DES算法，同時AES算法還擁有良好的可擴展性。

AES算法作為現(xiàn)階段常用的對稱分組式加密算法，其明文分組的長度為128位。算法在加解密處理過程中所涉及的密鑰長度主要有AES-128、AES-192和AES-256三種，分別表示128位、192位、256位的密鑰長度。根據(jù)矩陣形式，使矩陣中的每個字節(jié)按照由上至下和由左至右的秩序進(jìn)行排列，從而構(gòu)成由16個字節(jié)組成的有序矩陣。通過這種方式，構(gòu)成了AES算法分組的基本結(jié)構(gòu)。AES算法對語音信息進(jìn)行加密和解密的處理過程，其實質(zhì)是由對應(yīng)的矩陣進(jìn)行相應(yīng)的變化實現(xiàn)的。在矩陣進(jìn)行變換的過程中得到的中間態(tài)稱為狀態(tài)矩陣。對這些狀態(tài)矩陣進(jìn)行不同次數(shù)的迭代輪變換，可實現(xiàn)對信息的加密和解密處理[6]。根據(jù)密鑰長度的不同，AES算法在加密以及解密的兩個過程中[7]與之相應(yīng)的所執(zhí)行的迭代次數(shù)也不相同。三種加密算法的加密輪數(shù)如表1所示。

表1 三種加密算法的加密輪數(shù)

密鑰長度以及分組大小在運算過程中都是以字節(jié)為單位，而每個字節(jié)的長度為32位。AES算法在進(jìn)行加解密的過程中，當(dāng)使用的密鑰長度越長時，算法在加解密的過程中需要操作的加解密的輪數(shù)也會隨之變得更多。此時相應(yīng)的算法安全性也變高，但缺陷是算法的運行效率會受到影響，解密所使用的時間變得更長。所以用戶需要根據(jù)實際的項目需求選擇合適的密鑰長度，達(dá)到相應(yīng)的安全級別。由于語音數(shù)據(jù)量大、變化速率快，在確保AES算法的安全性的同時，實現(xiàn)盡可能高的執(zhí)行效率。通過對幾種算法在運行效率以及算法安全程度的對比分析，最終選擇執(zhí)行效率和安全性都相對較高的AES-128算法，實現(xiàn)對語音信息的加密以及解密操作。

1.2 密鑰擴展算法

利用初始密鑰進(jìn)行迭代處理生成算法加解密所需要的子密鑰的過程就是密鑰的擴展。在這個過程中，需要用到密鑰擴展算法完成初始密鑰向子密鑰的轉(zhuǎn)換，然后將生成的子密鑰應(yīng)用到算法的加解密過程中。選擇AES算法類型為AES-128，在完成一次明文向密文的轉(zhuǎn)換過程需要執(zhí)行10輪運算。但是根據(jù)實際測試發(fā)現(xiàn)，運算速率還是無法滿足對語音數(shù)據(jù)的加密要求。通過查閱相關(guān)資料后，將10輪算法精簡至6輪運算，在保證算法安全性的基礎(chǔ)上，算法的運行速率也得到大幅提升。據(jù)此，AES算法完成6輪運算共產(chǎn)生896位密鑰。

假定選用Wi來表示密鑰矩陣K中的第i列對應(yīng)的數(shù)值，根據(jù)密鑰擴展算法遞歸得到Wi的數(shù)值完全是由Wi-1和Wi-4決定的。AES算法在進(jìn)行密鑰擴展的過程是依據(jù)式(1)和式(2)執(zhí)行的。其擴展規(guī)則為：如果i的值不是4的整數(shù)倍時，只需要把Wi-1和Wi-4對應(yīng)的數(shù)組進(jìn)行異或變換就可以得到Wi；當(dāng)i的數(shù)值為4的整數(shù)倍的時候，式(2)中的Wi-1需要通過函數(shù)“g”變換后得到結(jié)果，再將計算結(jié)果與Wi-4進(jìn)行異或運算得到Wi。

Wi=Wi-4?Wi-1，i不是4的倍數(shù)

(1)

Wi=Wi-4?g(Wi-1)，i不是4的倍數(shù)

(2)

式中：Wi、Wi-1、Wi-4分別為密鑰矩陣K中的第i列、第(i-1)列、第(i-4)列所對應(yīng)的矩陣。

AES算法在完成初始密鑰生成輪密鑰時要用到輪常量數(shù)組Rcon[i]。它是一個4×10常量數(shù)組，同時數(shù)組的每一列均含有4個字節(jié)。其中：Rcon[i]每列的高8位均是由數(shù)組RC[i]組成，余下的位都用0補充，即Rcon[i]=(RC[i],0,0,0)。密鑰擴展過程中的輪常量取值如表2所示[8]。

表2 輪常量取值

根據(jù)上述的密鑰擴展過程，以W0-3作為用戶設(shè)定的初始密鑰，通過密鑰擴展算法得到輪密鑰W4-7。密鑰擴展過程如圖1所示。

函數(shù)“g”是經(jīng)過三個基本變換得到的復(fù)雜函數(shù)，即循環(huán)移位(RotWord)、字節(jié)代換(SubWord)和輪常量異或[11-12]。若輸入數(shù)據(jù)為W=(B0,B1,B2,B3)，通過RotWord變換后得到 (B1,B2,B3,B0)，再經(jīng)過SubWord變換后得到(B1a,B2a,B3a,B0a)，最后通過與RC[i]異或運算得到g(W)，并將得到的結(jié)果g(W)運用于式(1)、式(2)的運算過程。

圖1 密鑰擴展過程圖

1.3 算法優(yōu)化

在加解密的過程中，AES算法對語音數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密以及解密所使用的輪密鑰均是通過初始的密鑰進(jìn)行擴展得到的。因為這種擴展方式的存在，導(dǎo)致后續(xù)所生成的輪密鑰以及后續(xù)通過迭代生成的密鑰都與初始密鑰存在較強的關(guān)聯(lián)性。這種關(guān)聯(lián)性容易導(dǎo)致初始密鑰被逆向推出來，從而造成密鑰系統(tǒng)被破解的危險[9]。

通過查閱相關(guān)資料，并依據(jù)原始算法在對密鑰擴展中存在的不足，提出了AES算法的改進(jìn)方案[10]。具體的改進(jìn)方案為：首先通過對初始密鑰矩陣[W0,W1,W2,W3]進(jìn)行行輸入、列輸出的置亂操作，然后生成狀態(tài)矩陣[A0,A1,A2,A3]；再對狀態(tài)矩陣與初始密鑰矩陣進(jìn)行異或變化，得到后續(xù)生成子密鑰所必須的種子密鑰矩陣[W4,W5,W6,W7]；最后依據(jù)原始AES算法的密鑰擴展過程，以種子密鑰替代初始密鑰繼續(xù)完成生成子密鑰的操作，經(jīng)過多次迭代后生成改進(jìn)后算法所需要的所有的子密鑰。改進(jìn)后的密鑰擴展過程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的密鑰擴展過程圖

通過改進(jìn)算法與原始算法在密鑰擴展的方式對比可知，改進(jìn)后的算法通過對初始密鑰與輪密鑰進(jìn)行列輸入與行輸出的置亂操作，可以有效降低初始密鑰和輪密鑰間的關(guān)聯(lián)性。其次，再將置亂后的兩個矩陣相異或變換。這個過程可以使得初始密鑰矩陣和種子密鑰矩陣之間只有對應(yīng)的字之間有關(guān)聯(lián)。通過對兩個矩陣處理，進(jìn)行異或變換可以防止出現(xiàn)破解的可能。最后，用得到的種子密鑰代替初始密鑰，經(jīng)過密鑰擴展生成加解密過程所需要的全部子密鑰。通過分析發(fā)現(xiàn)，該優(yōu)化方案不僅最大程度地繼承了原有密鑰擴展算法中的結(jié)構(gòu)，而且加入的操作并沒有降低算法的執(zhí)行效率。

在密鑰長度方面，密鑰長度是由種子密鑰[W4,W5,W6,W7]([W0,W1,W2,W3]與[A0,A1,A2,A3]的異或結(jié)果)決定的。因此對于破解者來說，想要利用子密鑰來推導(dǎo)出初始的密鑰，至少需要逆推232次；而想要破解整個密鑰系統(tǒng)，攻擊者至少要完成2128次窮舉[11]。由此可見，改進(jìn)后的方案增強了原有算法的抗密碼分析能力。

在運行速度方面，由于改進(jìn)的算法在原有的算法的基礎(chǔ)上加入異或變化，而對算法的執(zhí)行效率會造成一定的影響。但是在實際的運算過程中，如果只是增加了兩個異或運算，在算法的整體運行速率上并不會產(chǎn)生太大的影響。同時，算法在處理信息的過程中，并沒有涉及很深的運算，因此在運行時間方面要遠(yuǎn)小于子密鑰生成所需時間。另外，由于處理的語音數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)長度方面相對較大，算法本身并不需要進(jìn)行頻繁的更換分組數(shù)據(jù)的初始密鑰，可以根據(jù)語音數(shù)據(jù)的傳輸周期進(jìn)行適當(dāng)?shù)母鼡Q。因此，相對于原始算法在對密鑰擴展所使用的時間，改進(jìn)后的算法在使用時間和運行效率方面都得到了很大的提升。

2 優(yōu)化算法仿真分析

MATLAB是一種廣泛應(yīng)用于數(shù)值分析、數(shù)據(jù)處理和算法開發(fā)的高級計算機語言。MATLAB平臺操作方便，同時擁有功能強大的工具箱和矩陣運算能力，在科學(xué)研究和工程設(shè)計領(lǐng)域都有普遍應(yīng)用[12]。利用MATLAB對于數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢，實現(xiàn)對改進(jìn)后算法的可行性的仿真分析。

在進(jìn)行MATLAB仿真中，可以使用平臺自帶的音頻讀入函數(shù)wavread()直接對輸入的語音樣本信息進(jìn)行加密和解密操作。其偽代碼描述如下。

voice Path = [pathname filename];

[voice Origin,fs,bit] =wavread(voice Path);

//讀入一個語音文件

Is_voice Cip(i,:) = cipher (Is_voice Origin(:,i),w,s_box,poly_mat)

//語音加密

Is_voice Recover(i,:) = inv_cipher(Is_voice Cip(i,:),w,inv_s_box,inv_poly_mat,AESIndex);

//語音解密

改進(jìn)算法對語音加解密的波形如圖3所示。改進(jìn)算法對語音加解密的頻譜如圖4所示。

圖3 改進(jìn)算法對語音加解密的波形圖

從圖3可以看出，原始語音采樣信號波形的波動變化較大，而經(jīng)過改進(jìn)算法加密后的語音信號被完全覆蓋了，因此很好地證明優(yōu)化后的算法具備較好的混淆和擴散的特性。

從圖4可以看出，原始語音信號的頻譜幅度變化不是很均勻，但是通過AES算法加密后，獲得的密文信號的頻譜較為平坦。通過AES算法對加密的信息解密后得到的語音信號的頻譜與原始信號頻譜基本一致，幾乎保全了原始信號的全部數(shù)據(jù)量。因此可以得出，采用改進(jìn)算法對語音數(shù)據(jù)加解密是可行的。改進(jìn)算法在語音信號加解密過程中體現(xiàn)了較好的加解密特性。

3 優(yōu)化算法STM32實現(xiàn)

為了進(jìn)一步驗證改進(jìn)AES算法的可實施性，將其移植到STM32硬件平臺上，對算法的性能和執(zhí)行效率進(jìn)行測試與分析[13]。在硬件平臺完成AES算法移植后，通過輸入語音信息并通過示波器對算法加密和解密效果進(jìn)行驗證。

在計算機上選取一段可視的英文字符串作為明文數(shù)據(jù)，并將明文數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32單片機。STM32將經(jīng)過算法加密后的密文數(shù)據(jù)，通過串口通信上傳至計算機進(jìn)行顯示。計算機得到的是一串雜亂無章的密文數(shù)據(jù)。根據(jù)計算機顯示的數(shù)據(jù)，需要加密的數(shù)據(jù)已經(jīng)被STM32硬件平臺加密。此時，再將加密的數(shù)據(jù)下發(fā)至主控芯片進(jìn)行解密處理，通過硬件平臺解密處理后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)保持一致。根據(jù)試驗現(xiàn)象分析發(fā)現(xiàn)，AES算法在STM32硬件平臺上可以實現(xiàn)對字符串進(jìn)行加解密的操作。通過后續(xù)對不同長度字符的硬件加解密測試，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，明文數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密處理后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)基本保持一致，驗證了AES算法的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)論

針對原有AES算法在密鑰擴展過程存在密鑰之間關(guān)聯(lián)性強的問題，提出了一種優(yōu)化方案，通過對初始密鑰進(jìn)行置亂和異或操作，降低了初始密鑰與輪密鑰之間的關(guān)聯(lián)性，可以在原算法的基礎(chǔ)上提高抗密碼攻擊能力。在對AES算法理論進(jìn)行簡要闡述后，分析現(xiàn)代傳統(tǒng)AES算法存在的缺陷并作出算法的改進(jìn)，在原有算法基礎(chǔ)上有效提高算法的安全性和運行效率。同時，通過MATLAB平臺對改進(jìn)后的算法進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，改進(jìn)后的算法提高了可靠性和安全性；通過在STM32硬件平臺上的實現(xiàn)，進(jìn)一步驗證了優(yōu)化算法的高效性和可實施性。