适用于嵌入式系统的AES加密IP核设计

Rijndael加密算法于2000年被确定为美国高级加密标准AES(Advanced Encryption Standard)，现在己是工业界数据加密的通用标准之一。Rijndael算法无论从理论分析，还是在实践应用都表现出很好的抵抗各种攻击的性能，其安全性是不容置疑的。

随着计算机技术、微电子技术的不断融合，嵌入式系统应用得到了迅猛发展。近年来嵌入式技术广泛用于解决保密信息的传输、存储和管理方面的问题。而这些都需要嵌入式系统集成有可靠的加密模块。现有一些应用中的加密模块还不尽如人意。本文针对此应用需求设计一种适用于嵌入式系统的加密IP核。

1 AES算法

1.1 AES算法描述

密钥密码体制分为流密码和分组密码两种。分组密码是信息与网络安全中实现数据加密、数字签名、认证及密钥管理的核心体制，具有速度快、易于标准化和便于软硬件实现等特点。AES采用分组密码的加密方式，其分组长度分为128 bit、192 bit、256 bit三种，AES密码在相同的轮函数作用下，迭代运算次数的不同可达到不同级别的安全强度。128 bit分组长度的情况下，循环轮数指定为11次，目前还没有可行的算法可以对该模型进行有效攻击[1]。每一轮处理均为作用在中间结果上的一批运算，该中间结果称为状态，用4×4字节矩阵表示，其中，数据矩阵称为State、密钥矩阵称为Key。AES加密涉及5种运算，分别是字节代换 (SubBytes)、行移变换(ShiftRows)、列混合变换(MixColumns)、密钥加法(AddRoundKey)和密钥扩展 (ExpandedKey)。

字节代换是对State每个字节进行独立非线性变换，由字节在GF(28)域中求其乘法逆并外加一个仿射变换完成[2]。具体实现中广泛使用查表方式完成该步变换(实现该功能单元被称为Sbox)，以避免复杂的乘法运算。

行移变换是对State进行按行移位操作，第0行不移位，第1行循环左移一位，第2行循环左移两位，第3行循环左移三位。