AES和SMS4密碼算法的高效可重構實現

摘要：可重構密碼芯片提高了密碼芯片的安全性和靈活性，具有良好的應用前景，但其處理速度較ASIC實現的專用密碼芯片卻有很大程度的下降。在此分析AES和SMS4密碼算法的可重構性，利用流水線、并行處理和可重構技術，提出了一種可重構體系結構。基于該體系結構實現的AES和SMS4算法較其他同類設計相比，在資源規模相當的情況下，處理速度有了較大的提高。

關鍵詞：可重構體系結構；AES算法；SMS4算法；密碼芯片

中圖分類號：TN91134文獻標識碼：A文章編號：1004373X（2012）18006403

引言

密碼技術是信息安全的核心技術，在通信安全中扮演著極其重要的地位。可重構密碼芯片利用可重構的硬件資源，根據不同的應用需求靈活地改變自身硬件結構，為不同的密碼算法提供與之匹配的內部結構和外部特性[1]，大大的提高了密碼芯片的靈活性、安全性和擴展性，具有良好的應用前景。與單一密碼算法芯片相比，可重構密碼芯片雖然增強了安全性和靈活性，但是處理速度卻大大降低了。信息技術的飛速發展，對密碼算法的處理速度要求也越來越高，尤其用于數據加/解密的分組密碼算法，其低吞吐率成為安全通信的瓶頸。

AES算法[2]的分組長度和密鑰長度均可變。當密鑰長度為128位，192位和256位時，加密輪數分別為10，12和14，每輪由4個變換組成，依次為字節代替、行移位、列混合及輪密鑰加。最后一輪變換與其他輪略有不同，沒有列混合變換。解密過程與加密過程相反，4個變換為相應加密變換的逆變換。SMS4算法[3]，其分組長度和密鑰長度均為128位，加密過程為32輪迭代運算以及最后輸出的反序變換。解密運算和加密運算相同，只是子密鑰使用順序剛好相反。輪運算主要包括32位異或運算、S盒查找表及32位循環左移。

AES和SMS4分別是國際、國內重要的加密算法，研究同時實現AES和SMS4密碼算法的可重構芯片有著重要的意義。本文設計了一種實現AES和SMS4密碼算法的可重構體系結構，它既有較好的安全性和靈活性，又有接近ASIC實現的高速度。

1重構性分析

每一個密碼算法均有一系列的基本操作按照一定的順序連接而成，并且不同密碼算法往往具有相同或相似的操作。要對不同的密碼算法進行可重構設計，必須先提取出相同或相似的操作，并把相同或相似的操作設計為可重構單元，為不同的算法所共用。為適應不同應用需求，通過控制模塊改變可重構單元的內部結構及其連接關系，進而適應不同的密碼算法。分析借鑒文獻[4]對可重構單元進行劃分的方法，對AES和SMS4算法單元劃分得到表1。