rijndael算法硬件实现的优化设计与应用

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1、湘翌太堂亟±途塞1．2Rijndael算法硬件实现的研究现状1．2．1Rijndael算法的背景鉴于DES的没落，美国政界和商界一直在寻求高强度、高效率的替代算法。1997年4月15日，美国国家标准技术研究所(NIST)发起征集高级加密标准AES的活动，活动目的是确定一个非保密的、可以公开技术细节的、全球免费使用的用于保护敏感的(无密级的)信息的对称密钥加密算法，作为新的数据加密标准。1997年9月12日，美国联邦登记处公布了正式征集AES候选算法的通告。作为进入AES候选过程的一个条件，开发者承诺放弃被选中算法的知

2、识产权。对AES的基本要求是：比三重DES快、至少与三重DES一样安全、数据分组长度为128比特、密钥长度为128／192／256比特。1998年8月12曰，在首届AES会议上指定了15个候选算法。1999年3月22日第二次AES会议上，将候选名单减少为5个，这5个算法是RC6，Rijndael，SERPENT，Twofish和hIARS。2000年4月13日，第三次AES会议上，对这5个候选算法的各种分析结果进行了讨论。2000年10月2日，NIST选择Rijndael算法作为美国国家高级加密标准(AES)14]1

3、51。Rijndael是从它的两个开发者VincentRijmen和JoanDaemen的名字得来的，他们都是公认的国际密码界顶尖高手。纵观Rijndael的安全性和其他各种性能，该算法易于实现，灵活性强，所以成为AES的最佳选择方案。无论在反馈模式还是非反馈模式中使用Rijndael，其软件和硬件对计算环境的适应性强，性能稳定，密钥建立时间优良，密钥灵活性强。存储需求量低，即使在空间有限的环境使用也具备良好的性能。1．2．2Rijndael算法硬件实现的研究现状Rijndael是一种迭代分组密码算法，Rijndae

4、l算法本身支持可变的分组长度和密钥长度，而AES只采用了128位分组长度和128，192或256位的密钥长度。Rijndael采用的是代替一置换网络(SPN)结构，每～轮操湘湮太堂殛±逾塞作由四层组成，第一层(字节替换)为非线性层，用s盒对每一轮中的单个字节分别进行替换；第二层(行移位)和第三层(列混合)是线性混合层，对当前的状态阵按行移位，按列混合；第四层(密钥加层)用子密钥与当前状态阵进行字节上的异或。我们所谓的Rijndael算法硬件实现是指应用EDA(ElectronicDesignAutomation电子设

5、计自动化)设计技术设计硬件加密芯片，即用硬件描述语言将Rijndael算法进行系统设计和编码，然后用适当的EDA工具进行仿真和综合，最后用ASIC或FPGA／CPLD等恰当的方式实现。当前还处于新旧密码算法交替的时期，尽管Rijndael算法已经在某些软件中得到了应用，但是相应的硬件产品却较少。美国的GMU和NSA等大学和机构提供了有关AES的IP核。其中以GMU大学的IP核性能最为优越，具有以下特点”1：(1)支持NIST所要求的三种不同密钥长度；(2)加密和解密功能采用了资源共享；(3)密钥调度与加密(或解密)并

6、行进行；(4)在有限的电路面积下具有很高的速度(吞吐量)；(5)外部接口简单通用。所以，人们在硬件设计的时候大多将GMU大学的IP核作为参考。另外还有一些公司也推出了各自的AES核以供测试，主要有Helion技术有限公司、D’CryptPte技术有限公司及OceanLogicPty技术有限公司。这些公司提供的AES在性能上与各大学和研究机构所提供的相似，只是在外部接口有所不同。目前，国内在AES硬件实现方面主要研究Rijndael算法S盒、列混合及其逆变换和整个轮变换的优化实现n3。在不改变算法本质的前提下，将算法的

7、代数运算转换成适应硬件平台的形式，改变数据存放方式使之与硬件存取数据特点相符，从而以较小的空间代价换取速度上的较大的提高。如文献[8]中主要研究针对电子密码本(ECB)模式，明文分组和密钥都是128位的情况下，AES加密算法的FPGA高速实现。采用同步时钟脉冲触发，通过对内部流水线布局的平衡优化，实现异步时序电路的同步化，并充分利用器件本身的资源，达到算法的并行快速实现。文献[9]中主要研搁湮盔堂亟主淦塞究一种扩展的Rijndael算法的4个变换及密钥扩散的设计策略，重点研究了列混合变换及其逆变换的设计；在此基础上，

8、研究了列混合变换中字节模乘运算的实现算法，根据这种扩展算法加密轮的4个变换的特征，提出了两种快速实现方案，并在dsp平台实现了该扩展算法。1．2．3Rijndael算法硬件实现存在的问题就硬件实现方面而言，Rijndael算法的加密与解密的动作，仅有⋯部分能使用相同的电路来完成。解密过程与加密相比，它要占用较多的代码和周期，几乎不适于在资源限制