用C 语言描述AES256 加密算法.doc

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1、用C语言描述AES256加密算法　　用C语言描述AES256加密算法，然后在硬件中加速性能。　　高级加密标准(AES)已经成为很多应用（诸如嵌入式系统中的应用等）中日渐流行的密码规范。自从2002年美国国家标准技术研究所(NIST)将此规范选为标准规范以来，处理器、微控制器、FPGA和SoC应用的开发人员就开始利用AES来保护输入、输出及保存在系统中的数据。我们可在更高抽象层上非常高效地描述算法，就像用于传统软件开发中那样；但由于涉及到的操作，该算法在FPGA中实现起来最为高效。开发人员甚至可在布线中“免费”获得一些操作。　　基于这些原因，AES是个绝佳的例子，即开发人员可利用

2、C语言描述算法，然后在硬件中加速实现，从而受益于赛灵思SDSoC?开发环境。本文中我们就是要这样做，首先熟悉一下AES算法，然后在赛灵思Zynq?-7000AllProgrammableSoC的处理系统(PS)上实现AES256（256位秘钥长度）以建立软件性能基准，然后再在片上可编程逻辑(PL)中进行加速。为了完全了解可获得的优势，我们将在SDSoC环境所支持的全部三个操作系统中执行这几个步骤，三个操作系统为：Linux、FreeRTOS和裸机。　　　　算法AES属于对称块密码，可采用128、192和256位不同的秘钥长度。秘钥长度决定加密或解密数据所需的处理步骤数。顾名思义

3、，块密码算法采用的是数据块。AES算法一次处理16字节的固定模块。因此，如果我们密码内容少于16字节，就必须将未使用的字节进行填充。　　由于AES是对称密码，信息加密和解密都采用相同的做法和秘钥。相反，非对称算法（例如RSA）则使用不同秘钥进行数据加密和解密。　　AES算法中四个阶段中每个阶段都代表一个状态。四个AES阶段的组合称为一个循环。所需循环的数量取决于秘钥长度。　　很简单，AES状态起始于我们要加密的16个字节。每个新步骤都会对状态进行更新。处理状态之前，我们需要将输入字节串变为初始状态，即4x4矩阵（图1）。　　　　图1—16字节的初始状态转换为4x4矩阵　　现在，

4、我们将最初的16个字节重新编排为4x4矩阵形式的初始状态，便可研究每个步骤如何操纵它的输入状态。　　轮密钥加(AddRoundKey)：这是唯一使用加密秘钥的步骤。我们已经注意到，所需的加密算法循环的数量取决于秘钥长度（128、192或256位）。必须对加密秘钥进行秘钥扩展，以确保在每个循环中不会重新使用秘钥中的字节。果然，对于不同的秘钥长度而言扩展秘钥长度并不相同。扩展秘钥长度为：扩展秘钥长度（字节）=16*（循环+1）　　这个步骤中的操作很简单。输入状态字节与扩展秘钥的16个字节进行异或运算。每个循环使用扩展秘钥的不同部分；循环0使用字节0至15，循环1使用字节16至31，

5、以此类推。对于每个循环，状态的字节1与扩展秘钥的最低有效字节进行异或运算，字节2与“最低有效字节+1”进行异或运算，以此类推。　　字节替换(SubBytes)：该步骤利用字节替换将状态值用另一个值替换出去。替换盒中的值是预先设定的，而且输入位于输出位之间的关联较小。替换盒(S-box)是一个16x16矩阵。我们使用被替代字节的高四位和低四位作为替代表格中的索引。例如，使用图2中的S-box加密，如果第一个初始状态字节为0x69，那么用替代值0xF9代替。状态字节的高四位选择替代表格的行；低四位选择列。注意在图2中，加密和解密使用不同的替换盒，而且盒中内容不同。　　　　图2—AE

6、SS-box内容　　行位移变换(ShiftRows)：该步骤对每行执行循环字节移位，以重新排列输入状态矩阵。我们将每行右旋不同个因数（图3）。第1行不变。将第2行移动1个字节，第3行移动2个字节，第4行移动3个字节。解密时执行相同操作，但向左旋转而非向右。　　　　图3—行位移变换(ShiftRows)操作　　列混合变换(MixColumns)：这是循环中最复杂的步骤，需要进行16次乘法和12次异或运算。逐列对输入状态矩阵进行此操作，将输入状态矩阵与固定矩阵相乘以获得新的状态列（图4）。列中的每项与矩阵中的一行相乘。将每次乘法结果进行异或运算，以获得新的状态值。第一个要进行相乘运

7、算的列和行在图4中加亮显示。　　　　图4—用于加密和解密的列混合变换(MixColumns)函数　　以下是第一列的列混合变换(MixColumns)方程：B1’=(B1*2)XOR(B2*3)XOR(B3*1)XOR(B4*1)B2’=(B1*1)XOR(B2*2)XOR(B3*3)XOR(B4*1)B3’=(B1*1)XOR(B2*1)XOR(B3*2)XOR(B4*3)B4’=(B1*3)XOR(B2*1)XOR(B3*1)XOR(B4*2)　　然后，为输入状态中的下一个列采用相同乘法矩