AES算法中S-box和列混合單元的優(yōu)化及FPGA實(shí)現

作者：時(shí)間：2010-12-07 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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　　美國國家標準與技術(shù)局(National Institute of Standard and Technology，NIST)于1997年1月提出發(fā)展AES(Advanced Encryption Standard)加密算法，并于同年9月12日推出AES的早期基本算法。在研究了一系列早期算法之后，Rijndael算法被確定為先進(jìn)加密標準(Advanced Encryption Standard，AES)。由于其較高的保密級別，AES算法被用來(lái)替代DES和3-DES，以適應更為嚴苛的數據加密需要。

　　與此同時(shí)，市場(chǎng)迫切需要AES的FPGA和ASIC的硬件解決方案，因為其與用軟件實(shí)現相比更安全而且更省電。在一些應用，如：信用卡，手機，PDA等中，硬件的復雜度是影響成本和能耗的一個(gè)非常重要的因素。因此，在加密和解密中都非常需要優(yōu)化AES的主要操作部分。在AES算法中，S-box是惟一的非線(xiàn)性單元，在加密解密，特別是字節替代和逆字節替代操作時(shí)需要分別執行S-box和逆S-box。建立一個(gè)16×16的S-box，以往通常采用查找表的方式實(shí)現，占用大量硬件資源。因此，對S-box進(jìn)行優(yōu)化是實(shí)現高效AES的重要步驟。

　　在此首先通過(guò)在S-box和逆S-box中共用一個(gè)look-up列表，簡(jiǎn)化非線(xiàn)性單元的復雜度，然后通過(guò)選擇合適的即約多項式，進(jìn)行域GF(28)到GF(24)的同構映射，對S-box的算法進(jìn)行優(yōu)化，并采用組合邏輯電路實(shí)現，使優(yōu)化后的S-box在同等頻率條件下較顯著(zhù)地減少了硬件資源的消耗。同時(shí)介紹了一種減小列混合(MixColumn)單元硬件復雜度的方案，可以明顯地減少列混合單元的設計面積。

　　1 S-box的優(yōu)化設計

　　在A(yíng)ES標準算法中定義了兩個(gè)較大的列表。S-box和逆S-box。將S-box用于兩個(gè)應用：字節替代和密鑰擴展。而逆S-box則用于逆字節替代。這兩個(gè)列表是不相同的，因此必須建立兩個(gè)不同的ROM(256×8 b)，用以存儲這兩個(gè)列表。另外，在A(yíng)ES設計中使用平行結構，這就需要用到多個(gè)列表，這樣會(huì )使硬件過(guò)于復雜，需要對其進(jìn)行優(yōu)化。以下主要對S-box模塊進(jìn)行結構優(yōu)化。

　　1.1 S-box和逆S-box的組合

　　在一個(gè)高速128 b的AES設計中，一般需要總共20個(gè)S-box模塊和16個(gè)逆S-box模塊。其中，16個(gè)S-box模塊用于實(shí)現字節替代的功能，4個(gè)S-box用于實(shí)現密鑰擴展的功能，而16個(gè)逆S-box模塊用于實(shí)現逆字節替代功能。在這種情形下，如果字節替代和逆字節替代時(shí)使用不同的列表，就會(huì )占用大量的硬件資源。所以非常需要一種減少硬件復雜性的方法。

　　就如AES標準所描述的那樣，S-box的操作過(guò)程可以表示為：