基于fpga的高级数据加密aes中的字节替换设计

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1、基于FPGA的高级数据加密AES中的字节替换设计

2、第1...摘要：介绍AES中的字节替换算法原理并阐述基于FPGA的设计和实现。为了提高系统工作速度，在设计中应用了流水线技术。最后利用MAXPLUS-II开发工具给出仿真结果，并分析了系统工作速度。关键词：AES；FPGA；字节替换；流水线技术1引言随着网络技术和无线通信技术的飞速发展，人们对数据传输过程中的安全问题提出了迫切的要求，对于数据加密算述和技术研究也有越来越多的技术人员参与。目前，加密算法按照加密特点分为对称密文和不对密文二大类。AES[1]（AdvancedEncryptionStandard）是

3、NIST（NationalInstituteofSuandardandTechnologies）继2000年10月选择Rijndael算法[2]之后，于2001年11月26日发布的新的对称数据加密算法。本文首先介绍AES中的SubBytes（字节替换）概貌，并解析出它使用的算法原理，然后论述基于FPGA技术对AES中的字节替换仿真的设计与实现。笔者在运用FPGA技术的过程中完全采用NIST公司的AES算法标准。为了获得在面积和速度上的最佳优化，将流水线设计技术应用到本设计中。另外，本文所得到的仿真结果是在MAXPLUS-II10.0上运用VerilogHDL硬

4、件描述语言来实现的。2AES中的Subbytes算法描述AES算法的核心有4种操作[3]：SubTytes（字节替换）、ShiftRons（列混合变换）和AddRoundKey。这里，主要对SunBytes（字节替换）算法进行描述。2.1SunBytes字节替换字节替换重要的是将一个8位数据转换为另一个不同的8位数据，这里要求一一对应，并且替换结果不能超出8位。例如将00H转换成63H。这个重要的特性正好符合GaloisField(GF)-伽罗瓦域特性。由于转换的数据是8位的，所以符合GF（28）域特性，即GF（28）域中进行的加法或乘法操作的结果必须在{0x

5、00...0xff}这组数中。虽然GF（）域论是相当深奥的，但GF（）域加法的最终结果却很简单，GF（）加法就是异或（XOR）操作。关于GF（）加法和乘法，将在2.3字节中进行描述。根据NIST描述的ASE算法标准，SunBytes字节替换连续进行以下变换便可达到替换要求。（1）在GF（28）域中进行乘法变换，即实现多项式m(x)=x8+x4+x3+x+1变换，称之为“multiplicativeinverse”。（2）在GF（28）域中进行交换来实现如下矩阵，称之为“affinetransformation”。例如“CA”被变换成“ED”。2.2在GF（28

6、）域中进行的变换算法上节所示的二种变换中第二种变换容易实现，而对于第一种变换，假设输入为Y，则输出应为Y-1。在GF（28）域中满足Y255=1[3]，所以Y-1=Y-1·Y255=Y254。根据这个公式我们就能将求逆变换Y-1转变成在GF（28）域的乘法Y254运算。图22.3GF(28)域中的加法和乘法GF（28）域的一个主要特点是加法或乘法操作的结果必须在{0x00...0xff}这组数中。虽然GF（）域论是相当深奥的，但GF（28）域加法的最终结果却很简单。GIF[28]加法即就是异或（XOR）操作。而乘法运算有点繁锁。如果进行乘法运算的二个8位数为A

7、=(a7,a6,a5,a4,a3,a2,a1,a0),B=(b7,b6,b5,b4,b3,b2,b1,b0)。假设二个多项式为：A(χ)=a7·χ7+a6·χ6+a5·χ5+a4·χ4+a3·χ3+a2·χ2+a1·χ1+a0B(χ)=b7·χ7+b6·χ6+b5·χ5+b4·χ4+b3·χ3+b2·χ2+b1·χ1+b0C(χ)=A(χ)×B(χ)=C14·χ14+C13·χ13+C12·χ12+C11·χ11+...+C114=χ1+C0C14=a7·b7C13=(a7·b6)+(a6·b7)··C1=(a1·b0)+(a0·b1)C0=a0·b0其中：符

8、号“·”指的是“与”操作，“+”指的是“异或”操作。根据GF（28）域特性有χ8=χ4+χ3+χ+1χ9...χ14可以根据类型普通乘法运算依次将上式两边同乘以χ得到。这样，可以得到χ14=χ7+χ4+χ3+χ，所以，可以将C（χ）化简成8位多项式：C（χ）=D（χ）=d7χ7+d6χ6+...+d1χ1+d0，具体操作可参考相关文献。图33FPGA的设计实现3.1总体框图若要在FPGA上实现如上所示的AES字节替换运算，就要运用2.1节所述的二种变换，如图1所示的SunBytes替换整体结构框图，当INV信号为“0”时，输入数据为加密过程，先在GF（28）中

9、进行乘法运算，然后送到GF（2）中进行