一种有效缩减AES算法S盒面积的组合逻辑优化设计

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1、第４期电子学报Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．４２０１０年４月ＡＣＴＡＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡＡｐｒ．２０１０一种有效缩减ＡＥＳ算法Ｓ盒面积的组合逻辑优化设计王沁，梁静，齐悦（北京科技大学信息工程学院，北京１０００８３）摘要：通过对ＡＥＳ算法Ｓ盒构造原理的研究，利用其中仿射变换的系数具有循环移位的周期性特点对电路结构进行改进，提出一种面积优化的ＡＥＳ算法Ｓ盒组合逻辑电路设计方法．该方法基于流水线技术，采用倍频复用的电路结构，较传统结构减少了逻辑资源的使用．经过ＥＤＡ工具综合仿真和实际系统验证，该方法比Ｗｏｌｋｅｒｓｔｏｒｆｅｒ和Ｓａｔｏｈ的Ｓ盒有限域实现的硬件规模分别缩减了４７５３％和４１

2、４９％，比Ｍｏｒｉｏｋａ的Ｓ盒真值表实现的硬件规模缩减了２１４３％．该设计方案已成功用于一种基于ＦＰＧＡ实现的密码专用处理器设计中．关键词：Ｓ盒字节替换；仿射变换；组合逻辑；面积优化中图分类号：ＴＮ９１８４文献标识码：Ａ文章编号：０３７２２１１２（２０１０）０４０９３９０４ＴｈｅＡｒｅａＯｐｔｉｍｉｚｅｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＳｂｏｘｉｎＡＥＳＡｌｇｏｒｉｔｈｍＷＡＮＧＱｉｎ，ＬＩＡＮＧＪｉｎｇ，ＱＩＹｕｅ（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｃｈｏｏｌ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃ

3、ｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｂｏｘｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＥｎｃｒｙｐｔｉｏｎＳｔａｎｄａｒｄ，ｗｅｕｓｅｔｈｅｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆａｆｆｉｎｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＳｂｏｘｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｏｓｅａｎａｒｅａｏｐｔｉｍｉｚｅｄｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌｌｏｇｉｃＳｂｏｘｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＡＥＳ．Ｗｅｍｕｌｔｉｐｌｙｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｒｅｕｓｅｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｗｉ

4、ｔｈｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｈｅｓｙｎｔｈｅｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｎｅｗＳｂｏｘｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｕｎｉｔｎｏｔｏｎｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｓｔｈｅａｒｅａｏｆｂｙｔｅｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＳｂｏｘｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌｌｏｇｉｃｂｙ４７．５３％ａｎｄ４１．４９％ａｎｄｗｉｔｈｔｒｕｔｈｔａｂｌｅＳｂｏｘｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌｌｏｇｉｃｂｙ２１．４３％，ｂｕｔａｌｓｏｍａｉｎｔａｉｎｓｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｄｅｌａｙｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｕｎｉｔｇａｔｅｍｏｄｅｌ

5、ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｇａｔｅｃｏｕｎｔｏｆＳｂｏｘｉｓ８８０ｇａｔｅｓ．ＡｎｄｔｈｅＳｂｏｘｓｃｈｅｍｅｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｐｅｃｉｆｉｃｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｒｆｏｒｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙｗｈｉｃｈｉｓｔｅｓｔｅｄｏｎＡｌｔｅｒａ’ｓＦＰＧＡＣｙｃｌｏｎｅＩＩＥＰ２Ｃ２０．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｂｏｘｓｕｂｂｙｔｅｓ；ａｆｆｉｎｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｌｌｏｇｉｃ；ａｒｅａｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ１引言替换决定．通常使用查表法，但是查表法对硬件实现不在无线传感器网络节点、

6、智能卡这样资源受限和电是一个很有效的方法．ＡＥＳ算法的字节替换和逆字节替池供电的嵌入式应用中，数据安全和硬件成本是决定性换的Ｓ盒不同，也就是说加密和解密的时候需要不同的因素．高级加密标准ＡＥＳ因其具有低开销、安全性高、真值表，为了达到高的数据吞吐率，文献［３］中采用并行易于硬件实现等特点，被广泛应用于各种嵌入式应用环架构，需要２０个正向Ｓ盒（１６个用于字节替换，４个用境中．因此，在存储和计算能力有限的嵌入式特征下，研于密钥扩展）和１６个逆向Ｓ盒（１６个全部用于反向字节究如何降低ＡＥＳ算法硬件开销是无线传感器网络安全替换），这种硬件实现占用大量的实现空间，增加了芯片算法实施的关键．的面积，这

7、是查表法Ｓ盒硬件实现的致命弱点．为了降低字节变换实现代价，另一种实现Ｓ盒字节ＡＥＳ算法加密过程的四种主要运算分别是字节替换（ＳｕｂＢｙｔｅｓ）、行移位（ＳｈｉｆｔＲｏｗｓ）、列混淆（ＭｉｘＣｏｌｕｍｓ）、轮替换的方法是使用组合逻辑电路实现．定义Ｓ盒是一个密钥加（ＡｄｄＲｏｕｎｄＫｅｙ）［１］．解密过程是四种主要运算的建立在状态字节上的砖匠置换，Ｓ盒变换ＳＲＤ是用公式反运算．其中，Ｓ盒在字节替换、反向字节替换和密钥扩ＳＲＤ