AES 加密低功耗论文
LOW AREA MEMORY-FREE FPGA IMPLEMENTATION OF THE AES ALGORITHM
Junfeng Chu Department of Electronic and Electrical
Engineering
University of Sheffield
Sheffield S1 3JD, UK
j.chu@https://www.wendangku.net/doc/043969226.html,
Mohammed Benaissa Department of Electronic and Electrical
Engineering
University of Sheffield
Sheffield S1 3JD, UK
m.benaissa@https://www.wendangku.net/doc/043969226.html,
ABSTRACT
A new FPGA design for the Advanced Encryption Standard (AES) is presented in this paper. This design is believed to be the smallest memory free FPGA implementation of the AES encryption only requiring 184 slices on a Xilinx Spartan 3 (XC3S50) device, and 80 slices on a Spartan 6 (XC6SLX4) device while achieving throughputs of 36.5Mbps and 58.13Mbps respectively. This FPGA design adopts an 8-bit architecture and exploits the specific fabric in Spartan 3 and Spartan 6 generation FPGAs to optimize the implementation of the shifting operations.
1.INTRODUCTION
The Rijndael cipher algorithm, introduced by Vincent Rijmen and Joan Daemen, was selected as the Advanced Encryption Standard (AES) by the National Institute of Standards and Technology (NIST) in 2000. In the following year, this algorithm became the Federal Information Processing Standard FIPS-197 [2]. As the AES has been widely adopted for various applications from high-end computers to low power portable devices, numerous hardware architectures to implement the AES were proposed to meet different requirements. Typical examples are high-throughput design and low-area design. The former aims to achieve highest operating frequency and throughput. The latter devotes most efforts to minimize the size of the design and lower the power consumption.
FPGA platforms have emerged recently as a viable low cost alternative to ASICs in many domains which have seen a trend of using FPGAs for actual production rather than just prototyping due to their advantages in terms of reconfigurability (flexibility with low cost); shorter time to market (easy to debug and short development cycle); increasingly efficient fabric (advanced processes); and also the fact that FPGA manufacturers provide mask programmed versions of their technologies. Optimal FPGA designs for cryptography are particularly desirable when scalability or compatibility with different applications is required in secure applications or when design IP protection is sought. Area (and energy) optimality is the most challenging in the design space. Therefore low resource, but with acceptable performance, cryptography primitives such as the AES on FPGA are key enablers for many applications to implement strong security or protection.
In this paper, a compact AES FPGA encryption core is proposed based on an iterative round-looping architecture as in [1] where the shifting operations are re-designed to exploit the FPGA fabric in Spartan 3 and Spartan 6 generations to reduce overall area and improve speed. The proposed design only occupies 184 slices of a XC3S50 FPGA, achieves a throughput of 36.5Mbps; on a Spartan 6 XC6SLX4 FPGA, this design occupies 80 slices with a throughput of 58.13Mbps. Since most useful modes (OFB, CTR and CFB) [12, 13, 14] can all provide data encryption and decryption using only an encryption-primitive, it was decided to implement a design that performs AES encryption only, as this is the minimum requirement for three useful modes. To the authors’ knowledge, this design is the smallest memory free FPGA implementation of the AES encryption to date.
2.BACKGROUND
2.1.The AES Algorithm
The AES is a symmetric block cipher, which uses the same key for both encryption and decryption. It has been broadly used for different applications, including smart cards, cellular phones, website servers and automated teller machines etc. Similar to other symmetric ciphers, the AES applies round operations iteratively to the plaintext to generate the ciphertext. There are four transformations in a round operation: SubBytes, ShiftRow, MixColumn and AddRoundKey. Derived from the cipher key, each round key is generated by an extra key expansion function. The detailed AES algorithm description can be found in FIPS-197 [2].
2.2.Previous Works
Speed and resource consumption are the key system requirements to implement the AES, which drove most of the previous works focus either on high throughput or low area.
Pipelined (or sub-pipelined) and loop-unrolled architectures with large data path (usually 128-bit) are usually adopted to enable high-speed in the throughput
978-1-4673-2256-0/12/$31.00c 2012IEEE623
focused AES designs. Typical examples can be found in [3, 4], where their designs achieve the throughput over 20Gbps. The drawback of high throughput designs is that they occupy large hardware resources and consume high power; in addition, these architectures are not suitable for
feedback modes in some operations [4, 5].
Round-looping and sub-function-sharing are the mostly used
technique to implement the low area AES. The data path is also reduced from 128-bit to 32-bit or even 8-bit to decrease the parallelism of operations therefore reduces the hardware consumption. Typical 32-bit low area AES design can be found in [6, 7, 8], where the smallest one uses 222 slices and 9600-bit block RAM (totally equivalent to 522 slices) and achieves 166Mbps throughput. Some 8-bit designs have better performance in term of area, such as the ASIP (application specific instruction processor) design proposed in [4], it only uses 124 slices and 4480-bit block RAM (totally equivalent to 264 slices), achieves a throughput of 2.2Mbps. To the authors’ knowledge, the work in [4] is so far the smallest FPGA implementation of the AES in the literature. The work presented in this paper only consumes 184 slices and does not require any block memory; furthermore it achieves a much higher (36.5Mbps) throughput compared with the smallest design in [4].
3. IMPLEMENTATION OF THE PROPOSED
ARCHITECTURE 3.1.
Proposed Top Architecture
The main architecture of this design adopts an iterative round-looping architecture with an 8-bit data path [1]. All the sub-functions are performed in parallel in order to reduce the number of clock cycles. The design supports 128-bit keys and requires 160 clock cycles to finish encrypting one 128-bit block. The top-level architecture is shown in Figure 1.
Figure 1. AES encryption core top-level architecture
It mainly consists of five sub-function blocks: ShiftRow, Sbox, MixColumn, KeySchedule and the input Delay. In this work, the ShiftRow, Delay and the KeySchedule blocks are redesigned and constructed using SRL16/32 [9] to minimize the number of FPGA slices. 3.2.
ShiftRow Implementation
The ShiftRow operation rearranges the location of each byte in the block text. In our proposed architecture, two sets of SRL16/32 are cascaded to construct an addressable 32-bit shift register to perform the shifting operation in Spartan 3 FPGA; eight such shift registers works in parallel with sharing address taps. Detailed structure is shown in Figure 2. In Spartan 6 FPGA, eight SRL32 are working in parallel to perform the shifting operation.
Figure 2. SRL16 based ShiftRow
Table 1. ShiftRow operation
t"
in"R 0""R 1""R 2""R 3""R 4""R 5""R 6""R 7""R 8""R 9""R 10"R 11"R 12"R 13"R 14"R 15"R 16"R 17"R 18"R 19"R 20"R 21"R 22"R 23"A 5"A 4"A 3"A 2"A 1"A 0"out"1"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1""a 0""X """X """X """X """X """X """X """X """X """X """X """X""001011"a 0"2"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1""a 0""X """X """X """X """X """X """X """X """X """X """X """""""000111"a 5"3"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1""a 0""X """X """X """X """X """X """X """X """X """X """""""000011"a 10"4"a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1""a 0""X """X """X """X """X """X """X """X """X """"1X X X X X"a 15"5"b 0"a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1""a 0""X """X """X """X """X """X """X """X """""""001011"a 4"6"b 1"b 0""a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1""a 0""X """X """X """X """X """X """X """"""""000111"a 9"7"b 2"b 1""b 0""a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1""a 0""X """X """X """X """X """X """""""""""000011"a 14"8"b 3"b 2""b 1""b 0""a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1""a 0""X """X """X """X """X """"""""""""""001111"a 3"9"b 4"b 3""b 2""b 1""b 0""a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1""a 0""X """X """X """X """""""""""""""001011"a 8"10"b 5"b 4""b 3""b 2""b 1""b 0""a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1""a 0""X """X """X """"""""""""""""000111"a 13"11"b 6"b 5""b 4""b 3""b 2""b 1""b 0""a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1""a 0""X """X""""""""""""""010011"a 2"12"b 7"b 6""b 5""b 4""b 3""b 2""b 1""b 0""a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1""a 0""X """"""""""001111"a 7"13"b 8"b 7""b 6""b 5""b 4""b 3""b 2""b 1""b 0""a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2""a 1"a 0""""""""""""""""001011"a 12"14"b 9"b 8""b 7""b 6""b 5""b 4""b 3""b 2""b 1""b 0""a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3""a 2"a 1"010111"a 1"15"b 10"b 9""b 8""b 7""b 6""b 5""b 4""b 3""b 2""b 1""b 0""a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4""a 3"a 2"010011"a 6"16"b 11"b 10"b 9""b 8""b 7""b 6""b 5""b 4""b 3""b 2""b 1""b 0""a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5""a 4"a 3"001111"a 11"17"b 12"b 11"b 10"b 9""b 8""b 7""b 6""b 5""b 4""b 3""b 2""b 1""b 0""a 15"a 14"a 13"a 12"a 11"a 10"a 9""a 8""a 7""a 6""a 5"a 4"Repeating"
b 0"
624
While data is shifted through the shift registers, the address taps select the reordered data to the output. The ShiftRow block has pipeline architecture; it has 12 clock cycles latency, but when fully filled with data it can deal with continuous data input. Here is an example to demonstrate how ShiftRow module works. To perform the shifting operation shown in Figure 3, 12 clock cycles are required to shift the first three columns of data (a 0 to a 11) into the shift register. After 12 cycles, every cycle, there will be one byte coming from the output in the order that is shown as the right block in Figure 3. The detailed operation is listed in Table 1.
Figure 3. ShiftRow example
As it can be seen from Table 1, the address taps A 1 and A 0 are constantly ‘1’ during the shifting operation, hence a 4-bit state machine is constructed to generate the correct address signal for A 5 to A 2 and it repeats the states every 16 clock cycles. This SRL16 based ShiftRow block, including the address generating state machine, only occupies 20 slices and can be operated at 265MHz solely on a Spartan III XC3S50 FPGA. 3.3.
Sbox Implementation
Figure 4. Sbox Construction
In the proposed low area AES design, the pure combinational logic constructed composite field arithmetic approach is adopted to achieve the lowest possible slice consumption of the FPGA implementation of the SubBytes transformation. The top architecture of the Sbox block is demonstrated in Figure 4.
The multiplicative inversion section of Figure 4 shows the GF(28) inversion computation in the decomposed field GF((24)2). In order to perform an equivalent inversion in composite field arithmetic, additional isomorphic mapping function (denoted as δ ×) and its inverse (denoted as !!! ×) need to be applied to map the representation of an element in GF(28) to its composite field and vice versa. The detailed design information refers to the work in [3], where the same composite field arithmetic based SubBytes transformation is described.
3.4. MixColumn Implementation
The MixColumn design adopts the architecture that is introduced in [1]. The architecture is demonstrated in Figure 5.
Figure 5. MixColumn Construction
In this module, one column of a state date is treated at a time in four clock cycles. Each clock cycle a new byte is fed to the unit, the four registers (R 0 to R 3) store the intermediate results of the MixColumn calculation. Every four cycles, upon the completion, the 32-bit output is fed to the parallel-to-serial converter (parallel load shift register R’s), after which the output of the MixColumn block becomes 8-bit per cycle. The 03 and 02 block performs the multiplication by constant 03HEX and 02HEX over GF(28) respectively.
This MixColumn architecture is naturally pipelined and capable of dealing with continuous data streaming with a latency of 4 clock cycles. The detailed operational procedure of the MixColumn transformation can be found in [1]. 3.5.
KeySchedule Implementation
Figure 6. KeySchedule Construction
The proposed low area AES design adopts an on-the-fly architecture with 8-bit data path. This KeySchedule is based on the ASIC design that has been introduced in [1]. The architecture is shown in Figure 6.
In the KeySchedule unit, three sets of SRL16 based shift registers are used as shown in Figure 6 to optimize the performance on FPGA platform, where the SRL16’s address taps are fixed to a constant value. It takes 16 clock cycles for the KeySchedule module to generate a new roundkey and store them in the intermediate registers. The RoundKey_out forward round keys out to the AddRoundKey transformation of the normal round operations;
the
Last_RoundKey_out
is
only used for the last AddRoundKey operation. This KeySchedule design occupies 81 slices on a Spartan III XC3S50 device with a highest possible operating frequency of 46.035MHz.
625
4.HARDWARE IMPLEMENTATION AND
RESULTS COMPARISONS
The synthesis, placing and routing of our complete design were done using Xilinx ISE 11.1. Table 2 shows the synthesis results of the proposed FPGA AES encryption core. Our design is the smallest memory free FPGA implementation of the AES encryption core to date. Comparisons with other low cost work are also listed in Table 2.
It can be seen from Table 2, that our design also achieves much higher throughput than the listed 8-bit ASIP and PicoBlaze designs but is not as high as the 32-bit designs due mainly to the narrowed data path and more clock cycles.
Table 3 shows the hardware and performance comparison with the Helion Company’s Tiny AES core family, which are announced to be the smallest commercial AES solutions [11]. To have a fair comparison, we implemented the proposed architecture on to a Spartan 6 FPGA using 32-bit LUT based shift registers (SRL32). Our design only occupies 80 slices of a Spartan 6 device with the throughput doubled.
5.CONCLUSION
In this paper, a compact AES encryption core on FPGA is presented. Thanks to the specific features brought by Spartan 3/6 FPGA platform, an AES design with the lowest area over FPGA is achieved. The low-cost implementation and moderate throughput make our solution practically suitable for security focused low resource applications.
6.REFERENCES
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[13]IEEE. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area
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2004.
Table 2. Synthesis results comparisons
Chodowiec & Gaj [6] Rouvroy et
al [7]
Pramstaller
et al [8]
T.Good &
M.Benaissa [4]
Picoblaze
based [4]
Yong Sung Jeon
et al [10]
This design
FPGA Spartan II
XC2S30-6
Spartan III
XC3S50-4
Virtex-E
XCV1000E
Spartan II
XC2S15-6
Spartan II
XC2S15-6
Spartan II
XC2S30-6
Spartan III
XC3S50-5
Clock Frequency (MHz) 60 71 161 67 90 66 45.642 Data path 32 32 32 8 8 8 8 No. of Clock Cycles 44 46 92 3691 13546 352 160 Slices 222 163 1125 124 119 258 184 No. of Block RAMs 3 3 0 2 2 0 0 Block RAM Size (kbits) 4 18 0 4 4 0 0 Bits of block RAM used 9600 34176 0 4480 10666 0 0 Total Equivalent Slices 522 1231 1125 264 452 258 184 Throughput (Mbps) 166 208 215 2.2 0.71 24 36.5 Throughput/slice (kbps/slice) 318 169 191 8.3 1.9 93 198
Summary
Best
speed/area
- Fastest ASIP Software - Smallest
Table 3. Synthesis results comparisons with industry products
FPGA
MAX
Throughput
Slices
Block
RAM
Tiny AES cores
[11]Spartan 3E30 Mbps1661 Spartan 629 Mbps910
Our work Spartan 336.5Mbps1840
Spartan 658.13Mbps800
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AES加密算法的实现及应用
AES加密算法的实现及应用 摘要:AES加密算法具有安全性高,运行速度快,对硬件配置要求低,算法属于对称算法等优点,非常适合硬件的实现。课题对于AES加密算法进行改进,提高程序运行效率进行了研究。研究主要包括AES加密算法的改进,C语言实现,以及完成对数据流的加密和解密过程,同时对AES加密算法的应用进行了简单介绍。 关键词:AESC语言加密 前言: AES加密算法作为DES加密算法的替代品,具有安全、高效以及在不同硬件和软件[6]运行环境下表现出的始终如一的良好性能,因此该算法具有较高的开发潜力和良好的实用价值。本研究主要包括AES加密算法的改进,C语言实现,以及完成对数据流的加密和解密过程,同时对AES加密算法的应用进行了简单介绍。 一、AES加密算法的改进及实现 (1)AES加密算法的流程图 在图1.1中,Round代表加密的轮数,即程序循环次数。State代表状态矩阵,一个存储原始数据的数组。RoundKey代
表经过扩展运算后的密钥数组。ByteSub()代表置换函数,对状态矩阵State中的数据进行置换。ShiftRow()代表移位函数,对状态矩阵State中的数据进行移位运算。MixColumn()代表列混合运算函数,对状态矩阵State中的数据进行列混合运算。AddRoundKey()代表异或运送函数,对数组State和数组RoundKey进行异或运算。由上图可以看出,最后一次轮变换比前几次轮变换少执行一次MixColumn()函数。 (2)AES解密算法的流程图 在图1.2中,Round代表加密的轮数,即程序循环次数。State代表状态矩阵,一个存储原始数据的数组。RoundKey代表经过扩展运算后的密钥数组。InvByteSub()代表置换函数,对状态矩阵State中的数据进行置换。InvShiftRow()代表移位函数,对状态矩阵State中的数据进行移位运算。InvMixColumn()代表列混合运算函数,对状态矩阵State中的数据进行列混合运算。由上图可以看出,最后一次轮变换比前几次轮变换少执行一次MixColumn()函数。 二、AES加密算法复杂度分析 下面对改进前的算法和改进后的算法进行复杂度分析[8]以及程序执行效率的分析。 设b为0x00―0xff中的任意常数,以0x09*b为例进行讨
AES算法加解密原理及安全性分析
AES算法加解密原理及安全性分析 刘帅卿 一、AES算法简介 AES算法是高级加密标准算法的简称，其英文名称为Advanced Encryption Standard。该加密标准的出现是因为随着对称密码的发展,以前使用的DES（Data Encryption Standard数据加密标准）算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今数据加密安全性的要求，因此后来由Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提议为AES的最终算法。 AES是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128、192和256位密钥，并且用128位(16字节)分组加密和解密数据。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换(permutations)和替换(substitutions)输入数据。加之算法本身复杂的加密过程使得该算法成为数据加密领域的主流。 二、AES算法的基本概念 1、有限域（GF） 由于AES算法中的所有运算都是在有限域当中进行的，所以在理解和实现该算法之前先得打好有限域这一基石才行。通常的数学运算都是在实数域中进行，而AES算法则是在有限域中进行，我们可以将有限域看成是有确定边界范围的正整数集合，在该集合当中，任意两个元素之间的运算结果都仍然落在该集合当中，也即满足运算封闭性。 那么如何才能保证这样的“有限性”（也即封闭性）呢？ GF（2w）被称之为伽罗华域，是有限域的典型代表。随着w（=4,8,16,…）的取值不同所形成的有限域范围也不同。AES算法中引入了GF域当中对数学运算的基本定义：将两数的加减法定义为两者的异或运算；将两数的乘法定义为多
AES加密解密与代码实现详解
先搞定AES算法，基本变换包括SubBytes（字节替代）、ShiftRows（行移位）、MixColumns（列混淆）、AddRoundKey(轮密钥加） 其算法一般描述为 明文及密钥的组织排列方式
ByteSubstitution（字节替代） 非线性的字节替代，单独处理每个字节： 求该字节在有限域GF(28)上的乘法逆，"0"被映射为自身，即对于α∈GF(28)，求β∈GF(28)， 使得α·β=β·α=1mod(x8+x4+x2+x+1)。 对上一步求得的乘法逆作仿射变换 y i=x i + x(i+4)mod8 + x(i+6)mod8 + x(i+7)mod8 + c i (其中c i是6310即011000112的第i位），用矩阵表示为 本来打算把求乘法逆和仿射变换算法敲上去，最后还是放弃了...直接打置换表
下面是逆置换表，解密时使用 这里遇到问题了，本来用纯c初始化数组很正常，封装成类以后发现不能初始化，不管是声明、构造函数都无法初始化，百歌谷度了一通后没有任何答案，无奈只能在构造函数中声明一个局部变量数组并初始化，然后用memcpy，（成员变量名为Sbox/InvSbox，局部变量名sBox/invsBox）
ShiftRows（行移位变换） 行移位变换完成基于行的循环位移操作，变换方法： 即行移位变换作用于行上，第0行不变，第1行循环左移1个字节，第2行循环左移2个字节，第3行循环左移3个字节。 MixColumns（列混淆变换）
逐列混合，方法： b(x) = (03·x3 + 01·x2 + 01·x + 02) · a(x) mod(x4 + 1)
AES加密算法原理(图文)
AES加密算法原理（图文） 随着对称密码的发展,DES数据加密标准算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求，因此1997年NIST公开征集新的数据加密标准,即AES[1]。经过三轮的筛选,比利时Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提议为AES的最终算法。此算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对AES还有不同的看法,但总体来说,AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES设计有三个密钥长度:128,192,256位，相对而言，AES的128密钥比DES的56密钥强1021倍[2]。AES算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。 AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。明确地说，AES 是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128、192 和256 位密钥，并且用128 位（16字节）分组加密和解密数据。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换（permutations ）和替换(substitutions）输入数据。Figure 1 显示了AES 用192位密钥对一个16位字节数据块进行加密和解密的情形。
Figure 1 部分数据 AES算法概述 AES 算法是基于置换和代替的。置换是数据的重新排列，而代替是用一个单元数据替换另一个。AES 使用了几种不同的技术来实现置换和替换。为了阐明这些技术，让我们用Figure 1 所示的数据讨论一个具体的AES 加密例子。下面是你要加密的128位值以及它们对应的索引数组： 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 aa bb cc dd ee ff0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 192位密钥的值是: 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13 14 15 16 170 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
AES加密算法的实现及应用
现代经济信息 前言： AES加密算法作为DES加密算法的替代品，具有安全、高 效以及在不同硬件和软件[6]运行环境下表现出的始终如一的良好性 能，因此该算法具有较高的开发潜力和良好的实用价值。本研究主要 包括AES加密算法的改进，C语言实现，以及完成对数据流的加密和 解密过程，同时对AES加密算法的应用进行了简单介绍。 一、AES加密算法的改进及实现 （1）AES加密算法的流程图 在图1.1中，Round代表加密的轮数，即程序循环次数。State代 表状态矩阵，一个存储原始数 据的数组。RoundKey代表经 过扩展运算后的密钥数组。 ByteSub()代表置换函数，对 状态矩阵State中的数据进行 置换。ShiftRow()代表移位函 数，对状态矩阵State中的数据 进行移位运算。MixColumn() 代表列混合运算函数，对状态 矩阵State中的数据进行列混合 运算。AddRoundKey()代表异 或运送函数，对数组State和数 组RoundKey进行异或运算。由 上图可以看出，最后一次轮变 换比前几次轮变换少执行一次 MixColumn()函数。 （2）A E S解密算法的流 程图 在图1.2中，Round代表加 密的轮数，即程序循环次数。 State代表状态矩阵，一个存储 原始数据的数组。RoundKey 代表经过扩展运算后的密钥 数组。InvByteSub()代表置换 函数，对状态矩阵State中的数据进行置换。InvShiftRow()代表移位函 数，对状态矩阵State中的数据进行移位运算。InvMixColumn()代表列 混合运算函数，对状态矩阵State中的数据进行列混合运算。由上图可 以看出，最后一次轮变换比前几次轮变换少执行一次MixColumn()函 数。 二、AES加密算法复杂度分析 下面对改进前的算法和改进后的算法进行复杂度分析[8]以及程序 执行效率的分析。 设b为0x00—0xff中的任意常数，以0x09*b为例进行讨论。该算式 分解如下： 0x09*b=(0x08+1)*b =0x08*b+b =(0x06+0x02)*b+b =0x06*b+0x02*b+b =(0x04+0x02)*b+0x02*b+b =0x04*b+0x02*b+0x02*b+b =(0x02+0x02)*b+0x02*b+0x02*b+b =0x02*b+0x02*b+0x02*b+0x02*b +b 将上述算式进行C语言实现得到以下程序： （1）程序1 int i,t; t=b; t=t<<2; for(i=0;i<3;i++){ t=t^t; } t=t^b; 由此可见，该程序的 时间复杂度为O(n)。将上 述程序做一改进可得到如 下程序： （2）程序2 int i,t; t=b; t=t<<2; t=t^t; t=t^t; t=t^t; t=t^t; t=t^b; 由此可见，该程序的 时间复杂度为O(1)。 若通过表格法对公式进行编成，可以得到如下程序： （3）程序3 int t; t=Tab0e[0x0e][b]; 由此可见，该程序的时间复杂度为O(1)。 通过上述程序可以发现，程序2与程序3的时间复杂度相同。但这 只能说明两程序的时间效率相似，并不一定相同，具体判断还要看程 序的规模。 虽然程序之间的规模只有几行代码的差距，但如果将这些程序放 在循环体中执行，程序之间在时间上的执行效率就会表现出较大的差 距，循环次数越多，循环层数越多，效率差距就越明显。AES加密算 法本身是一种非常适用于硬件加密的算法，因此当该算法应用于硬件 编程时，就更要把算法的时间效率考虑在内，否则很可能由于算法执 行时间过长，导致尚未加密的数据被新加入的数据冲掉，造成数据的 遗失，如此一来也就失去了数据加密的意义。这也是为什么要对算法 的程序实现进行效率考察的主要原因。 AES加密算法的实现及应用 赵雪梅 盐城工学院，江苏 盐城 224003 图1.1 AES加密算法流程图图1.2 AES解密算法流程图
AES加密算法实验报告
实验报告 学号：姓名：专业：班级：第 10 周
static void SubBytes(unsigned char p[16]); static void inSubBytes(unsigned char p[16]); static void ShiftRows(unsigned char e[]); static void inShiftRows(unsigned char e[]); static void MatrixToByte(unsigned char e[]); static void inMatrixToByte(unsigned char e[]); static unsigned char FFmul(unsigned char a, unsigned char b); static void KeyAdding(unsigned char state[16], unsigned char k[][4]); static void KeyExpansion(unsigned char* key, unsigned char w[][4][4]); ~plaintext(); private: }; #include"" using namespace std; static unsigned char sBox[] = {};/定义加密S盒/ unsigned char insBox[256] ={};//定义解密S盒 plaintext::plaintext() { } void plaintext::createplaintext(unsigned char a[])//创建明文 { int i = 0; unsigned int p[16]; for (int j = 0; j<200; j++) { if (a[j] == 0) { break; } } for (; i<16; i++) { p[i] = a[i]; a[i] = a[i + 16];
JAVA实现AES加密算法代码
JAVA实现AES加密算法代码 近些年DES使用越来越少，原因就在于其使用56位密钥，比较容易被破解，近些年来逐渐被AES替代，AES已经变成目前对称加密中最流行算法之一；AES可以使用128、192、和256位密钥，并且用128位分组加密和解密数据。本文就简单介绍如何通过JAVA实现AES加密。 1. JAVA 实现闲话少许，掠过AES加密原理及算法，关于这些直接搜索专业吧，我们直接看JAVA的具体实现。 1.1 加密代码有详细解释，不多废话。/** * 加密 * * param content 需要加密的容* param password 加密密码* return */ public static byte[] encrypt(String content, String password) { try { KeyGenerator kgen = KeyGenerator.getInstance("AES"); kgen.init(128, new SecureRandom(password.getBytes())); SecretKey secretKey = kgen.generateKey(); byte[] enCodeFormat = secretKey.getEncoded(); SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(enCodeFormat, "AES"); Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES");// 创建密码器byte[] byteContent = content.getBytes("utf-8");
AES加密算法
AES加密算法[转] 加密它：用新的高级加密标准（AES）保持你的数据安全 原著：James McCaffrey 翻译：小刀人 原文出处：MSDN Magazine November 2003 (Encrypt It) 本文的代码下载：msdnmag200311AES.exe (143KB) 本文假设你熟悉C# 和位（bit）操作。 摘要 AES（The Advanced Encryption Standard）是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范。它被预期能成为人们公认的加密包括金融、电信和政府数字信息的方法。本文展示了AES的概貌并解析了它使用的算法。包括一个完整的C#实现和加密.NET数据的举例。在读完本文后你将能用AES加密、测试基于AES的软件并能在你的系统中使用AES加密。 -------------------------------------------------------------------------------- 美国国家标准与技术研究所(NIST)在2002年5月26日建立了新的高级数据加密标准(AES)规范。本文中我将提供一个用C#编写的的能运行的AES 实现，并详细解释到底什么是AES 以及编码是如何工作的。我将向您展示如何用AES 加密数据并扩展本文给出的代码来开发一个商业级质量的AES 类。我还将解释怎样把AES 结合到你的软件系统中去和为什么要这么做，以及如何测试基于AES 的软件。 注意本文提供的代码和基于本文的任何其它的实现都在联邦加密模块出口控制的 适用范围之内（详情请参看Commercial Encryption Export Controls ）。 AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。明确地说，AES 是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128、192 和256 位密钥，并且用128 位（16字节）分组加密和解密数据。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换（permutations ）和替换(substitutions）输入数据。Figure 1 显示了AES 用192位密钥对一个16位字节数据块进行加密和解密的情形。
AES加密算法实现流程
由于AES的数学原理在网上有很多，所以在这里就不再说明，主要是加密流程。 先说明一下AES的几个必备参数的初始化 typedef struct _AES{ int Nb; //明文或密文的行数 int Nr; //加密或解密时的轮数 int Nk; //密钥的行数 unsigned long *Word；//指向密钥库的指针 unsigned long *State; //指向每一轮加密或解后的结果 }AES; 这里统一为4列n行，可以用unsigned long数组表示。 Nb = 明文或密文长度/4 ;Nk = 密钥长度/4;加密轮数Nr = Nb < Nk ? Nk:Nb+6; 一.密钥库的生成过程 1.计算库的行数并分配内存 库行数= Nb*(Nr+1); 2.初始化密钥库 库的第一个密钥为原密钥---直接将密钥拷贝到密钥库中； 3.开始计算轮密钥 unsigned long temp; for (int c = Nk; c < Nb * (Nr+1); ++c) { //把上一轮的最后一行放入temp temp = w[c-1]; //判断是不是每一轮密钥的第一行 if (c % Nk == 0) { //左旋8位 temp = (temp<<8)|(temp>>24); //查Sbox表 SubWord((byte*)&temp); temp ^= Rcon[c/Nk]; } else if ( Nk > 6 && (c % Nk == 4) ) {
SubWord((byte*)&temp); } //w[c-Nk] 为上一轮密钥的第一行 w[c] = w[c-Nk] ^ temp; } 二.State生成 为了实现快速列混淆(这里应该是行混淆)，State需要多出三行作为缓冲区。所以State = new unsigned long[Nb+3]; 当解密时State += 3;加密时不变。 AES算法中行混淆的实现： 加密时第1，2，3列（从0开始）分别上旋(解密时下旋)1，2，3个字节。先拷贝前三行到State的最后三行(就是拷贝到多出来的那三行)。 设temp(unsigned char temp[4])为行混淆后第n行的数据。 设Nb = 4,那么加密时的逻辑结构为：（空白为无效数据） 拷贝前：拷贝后：处理完后的结果： c0 c1 c2 c3 c0 c1 c2 c3 c0 c1 c2 c3 --------------------- --------------------- --------------------- | s0 | s1 | s2 | s3 | | s0 | | | | | t0 | t5 | ta | tf | --------------------- --------------------- --------------------- | s4 | s5 | s6 | s7 | | s4 | s5 | | | | t4 | t9 | te | t3 | --------------------- --------------------- --------------------- | s8 | s9 | sa | sb | | s8 | s9 | sa | | | t8 | td | t2 | t7 | --------------------- --------------------- --------------------- | sc | sd | se | sf | | sc | sd | se | sf | | tc | t1 | t6 | tb | --------------------- --------------------- --------------------- | | | | | | | s1 | s2 | s3 | | | | | | --------------------- --------------------- --------------------- | | | | | | | | s6 | s7 | | | | | | --------------------- --------------------- --------------------- | | | | | | | | | sb | | | | | | --------------------- --------------------- --------------------- 则temp = {s0,s5,sa,sf};temp值经其它运算后放入State的第n行。 下面是解密时的情况 拷贝前：拷贝后：处理完后的结果：
AES加密算法流程介绍
AES加密算法流程介绍 作者美创科技安全实验室 01、AES算法简介 美国政府在1997年公开征集高级加密标准（Advanced Encryption Standard:AES）替代DES加密算法。AES得到了全世界很多密码工作者的响应，先后有很多人提交了自己设计的算法。最终有5个候选算法进入最后一轮：Rijndael，Serpent，Twofish，RC6和MARS。最终经过安全性分析、软硬件性能评估等严格的步骤，Rijndael算法获胜。 02、AES的基本结构 AES为分组密码，把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。在AES标准规范中，分组长度只能是128位，也就是说，每个分组为16个字节（每个字节8位）。密钥的长度可以使用128位、192位或256位。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同，如下表所示： 接下来，我们以AES-128为例，介绍AES算法的流程。 03、AES算法流程
AES加密算法涉及4种操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。 下图给出了AES加解密的流程，从图中可以看出： 1）解密算法的每一步分别对应加密算法的逆操作 2）加解密所有操作的顺序正好是相反，保证了算法的正确性。 另外，加解密中每轮的密钥分别由种子密钥经过密钥扩展算法得到。算法中16字节的明文、密文和轮子密钥都以一个4x4的矩阵表示。 3.1字节替代 字节代替的主要功能是通过S盒完成一个字节到另外一个字节的映射。AES定义了一个S盒和一个逆S盒，用于提供密码算法的混淆性。 S盒：
128位AES加密算法
声明文件 AES.h #ifndef _AES_H_#define _AES_H_ #include
AES加密、解密算法原理
AES加密、解密算法原理和AVR实现 摘要 AES是美国高级加密标准算法,将在未来几十年里代替DES在各个领域中得到广泛应用。本文在研究分析AES加密算法原理的基础上，着重说明算法的实现步骤，并结合AVR 汇编语言完整地实现AES加密和解密。根据AES原理，提出几种列变化的优化算法，并根据实验结果分析和比较它们的优缺点。 关键词 AES算法 DES AVR汇编语言加密算法解密算法 引言 随着对称密码的发展,DES数据加密标准算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求，因此1997年NIST公开征集新的数据加密标准,即AES[1]。经过三轮的筛选,比利时Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael 算法被提议为AES的最终算法。此算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对AES还有不同的看法,但总体来说,AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES设计有三个密钥长度:128,192,256位，相对而言，AES的128密钥比DES的56密钥强1021倍[2]。AES算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。本文以128为例，介绍算法的基本原理；结合AVR汇编语言，实现高级数据加密算法AES。 1 AES加密、解密算法原理和AVR实现 AES是分组密钥，算法输入128位数据，密钥长度也是128位。用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所列）。每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展密钥Expandedkey(i)的参与。由于外部输入的加密密钥K长度有限,所以在算法中要用一个密钥扩展程序(Keyexpansion)把外部密钥K扩展成更长的比特串,以生成各轮的加密和解密密钥。 1.1 圈变化 AES每一个圈变换由以下三个层组成: 非线性层——进行Subbyte变换； 线行混合层——进行ShiftRow和MixColumn运算； 密钥加层——进行AddRoundKey运算。 ① Subbyte变换是作用在状态中每个字节上的一种非线性字节转换,可以通过计算出来的S盒进行映射。 Schange: ldi zh,＄01;将指针指向S盒的首地址 mov zl,r2；将要查找的数据作为指针低地址 ldtemp,z+；取出这个对应的数据 mov r2,temp；交换数据完成查表 … ret ② ShiftRow是一个字节换位。它将状态中的行按照不同的偏移量进行循环移位，而这个偏移量也是根据Nb的不同而选择的[3]。 shiftrow:;这是一个字节换位的子程序 mov temp,r3;因为是4×4 mov r3,r7; r2 r6 r10 r14 r2 r6 r10 r14 mov r7,r11; r3 r7 r11 r15---r7 r11 r15 r3 mov r11,r15; r4 r8 r12 r17 r12 r17 r4 r8
AES加密算法原理
AES加密算法原理 随着对称密码的发展,DES数据加密标准算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求，因此1997年NIST公开征集新的数据加密标准,即AES[1]。经过三轮的筛选,比利时Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提议为AES的最终算法。此算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对AES还有不同的看法,但总体来说,AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES设计有三个密钥长度:128,192,256位，相对而言，AES的128密钥比DES的56密钥强1021倍[2]。AES算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。本文以128为例，介绍算法的基本原理；结合AVR汇编语言，实现高级数据加密算法AES。 AES是分组密钥，算法输入128位数据，密钥长度也是128位。用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所列）。每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展密钥Expandedkey(i)的参与。由于外部输入的加密密钥K长度有限,所以在算法中要用一个密钥扩展程序(Keyexpansion)把外部密钥K扩展成更长的比特串,以生成各轮的加密和解密密钥。 1.1圈变化 AES每一个圈变换由以下三个层组成: 非线性层——进行Subbyte变换； 线行混合层——进行ShiftRow和MixColumn运算； 密钥加层——进行AddRoundKey运算。 ①Subbyte变换是作用在状态中每个字节上的一种非线性字节转换,可以通过计算出来的S 盒进行映射。 ②ShiftRow是一个字节换位。它将状态中的行按照不同的偏移量进行循环移位，而这个偏移量也是根据Nb的不同而选择的[3]。 ③在MixColumn变换中,把状态中的每一列看作GF(28)上的多项式a(x)与固定多项式c(x)相乘的结果。b(x)=c(x)*a(x)的系数这样计算:
基于AES加密算法的实现与应用
基于AES加密算法的实现与应用 摘要：对数据加密是保护数据安全唯一实用的方法，它是数据保护在技术上最重要的防线。本文主要论述aes算法的加、解密实现的原理与安全性的分析，并概述aes算法的应用。 关键词：aes算法对称性加密应用 随着计算机网络的不断发展，信息的安全性和保密性变得尤为重要。加密技术是对通信系统或者存储系统中的信息数据进行保护的一个很重要的方式。而aes(advanced encryption standard)算法是美国国家标准和技术研究所（nist）在21世纪初正式推出的旨在取代des算法的高级加密标准算法。用它对数据文件进行加密的运算，其优势在于aes是一种高效、安全的对称加密算法，具备很强的扩散性能，最终形成的密码有很高的随机性。数据文件经aes 算法加密后，信息会得到有效保护。 1、aes概述 1.1 aes简介 aes是1997年1月美国国家标准和技术研究所(nist)发布征集的新加密算法，是一种分组加密算法。目前，rijndael算法以其优秀的性能和抗攻击能力是通用标准aes算法。rijndael算法除具备低成本、高安全性的特性外，最大优点在于即使在受限工作环境下（如较小内存空间中）也有较好的加密/解密运算效率；而在运算子的设计上，亦容易抵抗完全搜寻攻击，如此便能保证aes可有较长的安全周期。
1.2 aes的算法结构 aes分组密码拥有128比特的分块长度,而且可以使用128、192、256比特大小的密钥。密钥的长度影响着密钥编排（即在每一轮中使用的自密钥）和轮的次数，但是不影响每一轮中的高级结构。aes算法都是在中间态基础上进行处理的，其加密、解密算法结构如图1-1所示，与使用feistel结构的des相比，aes本质上是一个代替置换网络。在aes的计算中，有一个被称为state的4乘4字节数组，是通过多轮操作来修改的。这个state的最初设置和分组密码的输入是相等的（注意输入是128比特，确切的是16字节）。aes算法的主循环对state执行4个不同的运算：subbytes(字节替换)、shiftrows(行位移变换)、mixcolumns(列混合变换)和addroundkey(轮密钥加)。在加密的最后阶段，state被变回为128位的线性串。 下面对四种变换进行简单的介绍： (1)subbytes(字节替换)是非线形变换，该置换包含一个作用在状态字节上的s-box，用srd表示，他是由字节在gf(28)域中求其乘法逆并外加一个仿射变换实现。 (2)shiftrows(行位移变换)，在这一步中,状态数组每一行的字节按如下方式循环左移:第一行不动,第二行左移一位,第三行左移两位,第四行左移三位。所有的移位都是循环的，例如第二行中第一个字节变成了第四个字节。它和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，提高非线形度。
AES加密算法实现C
AES加密算法实现C/S模式的通信 设计任务： 掌握AES的加密算法原理； 掌握用socket编程实现C/S模式的加密通信。 设计内容： Socket编程实现客户端和服务器模式的通信； 编程实现AES加解密的过程； 将AES应用在C/S的通信中，对信息进行加密传输。 设计原理： 1、socket编程实现C/S模式的通信，当用户在客户端发出请求时，会在服 务器端做出相应的反应，并给出应答信息返回给客户端。 2、AES――对称密码新标准：高级加密标准。对称密码体制的发展趋势将以 分组密码为重点。分组密码算法通常由密钥扩展算法和加密（解密）算 法两部分组成。密钥扩展算法将b字节用户主密钥扩展成r个子密钥。 加密算法由一个密码学上的弱函数f与r个子密钥迭代r次组成。混乱 和密钥扩散是分组密码算法设计的基本原则。抵御已知明文的差分和线 性攻击，可变长密钥和分组是该体制的设计要点。AES是美国国家标准技 术研究所NIST旨在取代DES的21世纪的加密标准。AES的基本要求是，采用对称分组密码体制，密钥长度的最少支持为128、192、256，分组长 度128位，算法应易于各种硬件和软件实现。1998年NIST开始AES第一 轮分析、测试和征集，共产生了15个候选算法。1999年3月完成了第二 轮AES 2的分析、测试。最终将Rijndael数据加密算法作为高级加密标 准AES。在应用方面，尽管DES在安全上是脆弱的，但由于快速DES芯片 的大量生产，使得DES仍能暂时继续使用，为提高安全强度，通常使用 独立密钥的三级DES。但是DES迟早要被AES代替。 3、AES的主要算法原理： AES 算法是基于置换和代替的。置换是数据的重新排列，而代替是用一个单元数据替换另一个。AES 使用了几种不同的技术来实现置换和 替换。为了阐明这些技术，让我们用 Figure 1 所示的数据讨论一个具 体的 AES 加密例子。下面是你要加密的128位值以及它们对应的索引数 组： 00 11 22 33 44 55 66 77 88 99 aa bb cc dd ee ff 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 192位密钥的值是： 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0c 0d 0e 0f 10 11 12 13 14 15 16 17 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
AES加密算法研究分析
AES加密算法研究分析 摘要 AES（The Advanced Encryption Standard）是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范。它被预期能成为人们公认的加密包括金融、电信和政府数字信息的方法。本文展示了AES的概貌并解析了它使用的算法。包括一个完整的C#实现和加密.NET数据的举例。在读完本文后你将能用AES加密、测试基于AES的软件并能在你的系统中使用AES 加密。 美国国家标准与技术研究所(NIST)在2002年5月26日建立了新的高级数据加密标准(AES)规范。本文中我将提供一个用C#编写的的能运行的AES 实现，并详细解释到底什么是AES 以及编码是如何工作的。我将向您展示如何用AES 加密数据并扩展本文给出的代码来开发一个商业级质量的AES 类。我还将解释怎样把AES 结合到你的软件系统中去和为什么要这么做，以及如何测试基于AES 的软件。 注意本文提供的代码和基于本文的任何其它的实现都在联邦加密模块出口控制的适用范围之内（详情请参看Commercial Encryption Export Controls ）。 AES 是一个新的可以用于保护电子数据的加密算法。明确地说，AES 是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128、192 和256 位密钥，并且用128 位（16字节）分组加密和解密数据。与公共密钥密码使用密钥对不同，对称密钥密码使用相同的密钥加密和解密数据。通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同。迭代加密使用一个循环结构，在该循环中重复置换（permutations ）和替换(substitutions）输入数据。Figure 1 显示了AES 用192位密钥对一个16位字节数据块进行加密和解密的情形。 Figure 1 部分数据