基于流水线技术的AES算法的FPGA优化和验证

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1、基于流水线技术的AES算法的FPGA优化与验证摘要AES自从被接纳为标准之日起已经被工业界、银行业和行政部门作为事实上的密码标准。为了获得AES算法在FPGA设计面积和速度上的优化，本设计一方面对算法轮函数进行优化，采用查表法优化处理了字节代换运算，列混合运算和密钥扩展运算。另一方面进行硬件结构优化，采用了适合高速并行实现AES加密算法的结构——内外混合的流水线结构并给出了总体的设计框图；最后和其他类似的设计做了横向对比，得出结论：本设计在保证了速度的基础上实现了资源和速度的均衡，在性能上具有较大的优势。本设计采用自顶而下的设计思路，利用QUARTUSII开发工具进行代码的

2、编写工作和综合编译工作，并给出仿真结果。关键字：AES、FPGA优化、内外混合、流水线IVBasedontheAESalgorithmpipeliningoptimizationandverificationofFPGAAbstractAEShasbeenacceptedasthestandardsincethedatehasbeentheindustrialsector,bankingandadministrationasthedefactostandardforpasswords.AESalgorithminordertoobtainthedesignintheFPGA

3、areaandspeedoptimization,thedesignontheonehandonthewheelfunctionoperatortooptimizetheuseoflook-uptablemethodoptimizedbytesubstitutionoperation,columnmixingoperationsandkeyexpansionoperation.Ontheotherhandthehardwarestructuraloptimizationforhigh-speedparallelimplementationusingAESencryption

4、algorithmstructure-insideandoutsidethehybridpipelinestructureandgivestheoveralldesigndiagram;lastanddesignedtodoothersimilartransversecontrast,concludedthat:Thisdesignguaranteesbasedonthespeedandthespeedofthebalanceofresources,theperformancehasagreatadvantage.Thisdesignusesatop-downdesigni

5、deas,usethecodeQUARTUSIIdevelopmenttoolsandcomprehensivepreparationofthecompilationandsimulationresultsaregiven.Keywords:AES,FPGAoptimization,internalandexternalmixing,pipelineIV目录摘要IAbstractII第一章绪论21.1课题背景21.1.1密码学简介21.1.2高级数据加密标准简介21.2课题任务3第二章AES算法介绍和优化42.1AES算法介绍42.1.1字节替换(SubBytes)42.1

6、.2行移变换(ShiftRows)52.1.3列混合变换(MixColumns)62.1.4密钥加法(AddRoundKey)62.1.5密钥扩展(ExpandedKey)和选取62.2算法优化82.2.1S-盒查表优化82.2.2列混合变换优化92.2.3密钥扩展优化92.3算法评价9第三章AES算法加密系统实现103.1加密系统结构设计103.1.1循环展开结构103.1.1流水线结构113.2加密系统的模块设计133.2.1数据单元133.2.2密钥扩展模块143.2.3控制模块15第四章AES加密系统FPGA设计和仿真验证16IV4.1开发环境和工具164.2系统的

7、仿真和验证16第五章结论19参考文献21致谢22IV第一章绪论1.1课题背景1.1.1密码学简介随着计算机与通信技术的迅猛发展，大量敏感信息通过公用通信设施和计算机网络进行交换。信息的安全、高效的传输成为当前的迫切需要。密码学能够很好的解决数据机密性保护和身份认证等方面的难题。密码学广泛应用于通信安全保密和存储加密等领域。密码学的基本思想是对机密信息进行交换，以保护信息在传送过程中不被非法窃取、解读和利用。密码体制的分类方法有很多，一般是按照加密算法与解密算法所使用的密钥是否相同的原则分为：对称(私钥)密码体制和公