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立即咨询随着国际空间任务的交叉合作以及互联网在空间任务中的应用,空间数据安全性受到威胁,空间数据文件加密日益受到设计人员的重视。国际空间数据系统咨询委员会已于2004年推荐AES加密算法作为空间数据系统的加密标准。那么我们今天就给大家讲讲面向空间应用的AES加密算法是如何在FPGA上的实现的。
一、AES加密算法及优化实现
1、AES加密算法
AES是一种可变密钥长度的迭代分组加密算法,明文被分成以128bit为一块进行加密,密钥长度可分别为128bit、192bit、256bit。
AES加密算法包括密钥扩展过程和加密过程。
加密过程又包括一个作为初始轮的初始密钥加法(AddRoundKey),接着进行若干次轮变换(Round),最后再使用一个轮变换(FinalRound),如下图所示。
明文可以表示为4*4B的状态矩阵,加密的每一轮是对状态矩阵进行操作,得到中间结果状态矩阵。初始变换指的是状态矩阵中每一列与初始密钥进行加运算。轮变换的每一轮包括字节替换(SubBytes)、行移位(Shiftrows)、列混合(Mixcolumns)、轮密钥加(AddRoundKey)。最后一轮变换不包括列混合(Mixcolumns)。经过最后一轮变换,中间状态矩阵将输出4*4B的密文。
密钥扩展是对给定初始密钥进行运算,得到每个轮变换的轮密钥。主要包括三步:字替换(Subword)、周期置换(Rotword)、圈常数字序列加运算。AES-128与AES-192密钥扩展的每一轮都包括三个步骤,对于AES-256,并不是每一轮都包括三个步骤,当密钥替换循环次数小于Nb*(Nr+1)(Nb数据块长度、Nr圈数),同时循环次数对Nk(密钥长度)取模的结果为4时,只进行字替换(Subword)。
下表给出了三种AES加密的明文块长度,密钥长度,加密轮变换次数之间的关系。
2、AES加密算法优化实现
(1)字节替换(SubBytes)
SubBytes主要通过两步来完成,一步是在GF(28)中取乘法逆,另外一步是通过特别定义的GF(2)上的仿射作用。为了避免复杂的乘法运算,在FPGA上具体实现时,构造了16*16B的置换表,通过查表完成了字节替换,节省了运算时间。
(2)行移变换(shiftrows)
ShiftRows与列混合运算相互影响,在多轮变换后,使密码信息达到充分的混乱。行变换是在状态的每个行间进行的,是状态中的行按不同的偏移量进行循环左移运算。通过对每个字节的行移位实现该变换。
(3)列混合(MixColumns)
假设列混合运算输入为a,输出为b,加密的列混合运算可做如下表示:
式中所示的矩阵运算是伽罗华域上常数乘法运算。伽罗华域上乘以任何常数的乘法都可以通过反复的乘以02和异或运算来实现。将GF(28)域中的每一个元素与02的乘积存储在一张16*16B查找表中,通过异或运算和查表即可实现列混合运算。
(4)密钥加法(AddRoundKey)
AddRoundKey是将轮密钥中的各个字节与状态中的各个字节进行逐位异或运算,实现密码和密钥的混合。轮密钥是由初始密钥通过密钥扩展得到的。
(5)密钥扩展(KeyExpansion)
初始密钥和扩展后的整个密钥表可以看作是一个字(word)序列。密钥扩展是针对字进行的,为此又引入了两个对字进行处理的函数:字替代(Subword)和字旋转(RotWord)。字旋转将字的4个字节循环右移一个单位。密钥扩展还包括引入轮常数Rcon。字替换和引入轮常数均可使用查表法完成。字旋转可以用简单的交换字的顺序实现。
在FPGA的实现过程中,若不进行上述诸如查表法的优化,将会造成资源占用过度,运行速率低下的情况。
二、面向空间应用的AES加密算法在FPGA上的实现与仿真
1、面向空间应用的AES加密算法在FPGA上的实现方案
下图为面向空间应用的AES加密算法在FPGA上的实现框图,其中明文有效标志和密钥有效标志输入给控制模块,初始密钥送给密钥扩展模块,明文输入到初始变换模块。控制模块输出加密完成标志,最终变换模块输出密文。其中粗箭头为数据线,细箭头为控制线。为满足加密过程的时序要求,控制模块对输入的明文有效信号及密钥有效信号进行控制。密钥扩展模块在不同轮数下产生的扩展密钥分别送给初始变换模块,轮变换模块以及最终变换模块。初始变换模块对明文加了初始轮密钥;轮变换模块进行了四个变换步骤。最终变换模块与轮变换模块不同在于没有进行混合列操作。
2、仿真结果
本设计采用VHDL语言,在Xilinx公司的一款FPGA上实现了AES加密算法。分别对AES-128、AES-192、AES-256加密算法实现进行仿真,在FPGA资源占用率、数据处理速率等方面进行了对比分析。
(1)仿真结果
下面几个图分别是AES-256、AES-192、AES-128的FPGA实现仿真结果,从图中可以看出AES-256可以在15个时钟周期内完成,AES-192可以在13个周期实现加密算法,AES-128可以在12个时钟周期内实现加密算法。
(2)性能分析
在Xilinx公司的一款X2V系列FPGA上所占用的资源情况对比如下表所示。
根据密码学理论,密钥长度越长,其安全性能越好。AES-256占用硬件资源较AES-128、AES-192多,但AES-256可以提供最好的安全性。
三种加密算法占用的资源数相当,数据吞吐率随着密钥长度加长而变小。
本文对AES加密算法进行了研究,提出了面向空间应用的AES加密算法的FPGA实现方案。通过仿真分析,表明利用FPGA进行AES进行数据文件加密具有占用硬件资源较少,数据吞吐率高,安全性好的特点,门数在10万左右的小型FPGA即可实现该加密算法。考虑到安全性,在实际应用中,AES-256加密算法是最适合的。
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