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--  作者：wangxinxin
--  發(fā)布時(shí)間：2010-11-20 8:51:46
--  基于FPGA的高級(jí)數(shù)據(jù)加密AES中的字節(jié)替換設(shè)計(jì)

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1 引言　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的安全問(wèn)題提出了迫切的要求，對(duì)于數(shù)據(jù)加密算述和技術(shù)研究也有越來(lái)越多的技術(shù)人員參與。目前，加密算法按照加密特點(diǎn)分為對(duì)稱密文和不對(duì)密文二大類。AES [1]（Advanced Encryption Standard）是NIST（National Institute of Suandard and T echnologies）繼2000年10月選擇Rijndael算法[2]之后，于2001年11月26日發(fā)布的新的對(duì)稱數(shù)據(jù)加密算法。　　本文首先介紹AES中的SubBytes（字節(jié)替換）概貌，并解析出它使用的算法原理，然后論述基于FPGA技術(shù)對(duì)AES中的字節(jié)替換仿真的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。筆者在運(yùn)用FPGA技術(shù)的過(guò)程中完全采用NIST公司的AES算法標(biāo)準(zhǔn)。為了獲得在面積和速度上的最佳優(yōu)化，將流水線設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到本設(shè)計(jì)中。另外，本文所得到的仿真結(jié)果是在MAXPLUS-II 10.0上運(yùn)用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 <img onclick="get_larger(this)" alt="基于FPGA的高級(jí)數(shù)據(jù)加密AES中的字節(jié)替換設(shè)計(jì)" src="http://img.ddvip.com/2008_07/1217207259_ddvip_530.gif"/> 　　2 AES中的Subbytes算法描述　　AES算法的核心有4種操作[3]：SubTytes（字節(jié)替換）、ShiftRows(行位移變換)、MixColumns（列混合變換）和AddRoundKey。這里，主要對(duì)SunBytes（字節(jié)替換）算法進(jìn)行描述。　　2.1 SunBytes字節(jié)替換　　字節(jié)替換重要的是將一個(gè)8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)不同的8位數(shù)據(jù)，這里要求一一對(duì)應(yīng)，并且替換結(jié)果不能超出8位。例如將00H轉(zhuǎn)換成63H。這個(gè)重要的特性正好符合Galois Field(GF)-伽羅瓦域特性。由于轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)是8位的，所以符合GF（28）域特性，即GF（28）域中進(jìn)行的加法或乘法操作的結(jié)果必須在{0x00 ...0xff}這組數(shù)中。雖然GF（）域論是相當(dāng)深?yuàn)W的，但GF（）域加法的最終結(jié)果卻很簡(jiǎn)單，GF（）加法就是異或（XOR）操作。關(guān)于GF（）加法和乘法，將在2.3字節(jié)中進(jìn)行描述。  根據(jù)NIST描述的ASE算法標(biāo)準(zhǔn)，SunBytes字節(jié)替換連續(xù)進(jìn)行以下變換便可達(dá)到替換要求。　　（1）在GF（28）域中進(jìn)行乘法變換，即實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)式m(x)=x8+x4+x3+x+1變換，稱之為“multiplicative inverse”。　　（2）在GF（28）域中進(jìn)行交換來(lái)實(shí)現(xiàn)如下矩陣，稱之為“affine transformation”。例如“CA”被變換成“ED”。 <img onclick="get_larger(this)" alt="基于FPGA的高級(jí)數(shù)據(jù)加密AES中的字節(jié)替換設(shè)計(jì)" src="http://img.ddvip.com/2008_07/1217207259_ddvip_6578.gif"/> 　　2.2 在GF（28）域中進(jìn)行的變換算法　　上節(jié)所示的二種變換中第二種變換容易實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于第一種變換，假設(shè)輸入為Y，則輸出應(yīng)為Y-1。在GF（28）域中滿足Y255=1[3]，所以Y-1=Y-1·Y255=Y254。根據(jù)這個(gè)公式我們就能將求逆變換Y-1轉(zhuǎn)變成在GF（28）域的乘法Y254運(yùn)算。 <img style="WIDTH: 550px" onclick="get_larger(this)" alt="基于FPGA的高級(jí)數(shù)據(jù)加密AES中的字節(jié)替換設(shè)計(jì)" src="http://img.ddvip.com/2008_07/1217207260_ddvip_1061.gif"/> 　　2.3 GF(28)域中的加法和乘法　　GF（28）域的一個(gè)主要特點(diǎn)是加法或乘法操作的結(jié)果必須在{0x00 ...0xff}這組數(shù)中。雖然GF（）域論是相當(dāng)深?yuàn)W的，但GF（28）域加法的最終結(jié)果卻很簡(jiǎn)單。GIF[28]加法即就是異或（XOR）操作。而乘法運(yùn)算有點(diǎn)繁鎖。如果進(jìn)行乘法運(yùn)算的二個(gè)8位數(shù)為A=(a7,a6,a5,a4,a3,a2,a1,a0),B=(b7,b6,b5,b4,b3,b2,b1,b0)。　　假設(shè)二個(gè)多項(xiàng)式為：　　A(χ)=a7·χ7+a6·χ6+a5·χ5+a4·χ4+a3·χ3+a2·χ2+a1·χ1+a0 　　B(χ)=b7·χ7+b6·χ6+b5·χ5+b4·χ4+b3·χ3+b2·χ2+b1·χ1+b0
說(shuō)明：上面顯示的是代碼內(nèi)容。您可以先檢查過(guò)代碼沒(méi)問(wèn)題，或修改之后再運(yùn)行.