資源共享的并行AES加密/解密算法及實(shí)現(xiàn)研究

曾小麗

（廣東互維科技有限公司 廣東廣州 510663）

資源共享的并行AES加密/解密算法及實(shí)現(xiàn)研究

曾小麗

（廣東互維科技有限公司 廣東廣州 510663）

為了能有效的對(duì)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）進(jìn)行改善，我們可以通過(guò)資源共享以及并行來(lái)實(shí)現(xiàn)AES的加密以及解密，并且，我們對(duì)AES算法的不同變換、密鑰擴(kuò)展特點(diǎn)性質(zhì)等進(jìn)行分析，然后選擇合理的置換及變換方式，提高密鑰的有效擴(kuò)展方案，僅為幫助資源共享的并行AES加密/解密算法實(shí)現(xiàn)。

資源共享；加密/解密；高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)；并行

高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)稱AES，它是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院在2001年發(fā)布，然后在2002年5月份正式成為標(biāo)準(zhǔn)。AES是當(dāng)前最主流的對(duì)稱密鑰的加密算法之一。安全系統(tǒng)利用軟件加密解密的工作時(shí)，密鑰的明文會(huì)存在的計(jì)算機(jī)中，但是利用硬件加密解密安全系統(tǒng)則不會(huì)出現(xiàn)明文的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了安全系統(tǒng)的保密性，并且，硬件的運(yùn)行速度快且可靠性非常高。

1 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）算法

1.1 AES算法的基本變換方法

AES的加密解密主要是通過(guò)循環(huán)操作一定輪數(shù)的明文來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常分組的長(zhǎng)度為16字節(jié)，也就是128位。本文分析研究的為10個(gè)循環(huán)輪數(shù)，128位的密鑰算法。AES加密解密算法的基本變換的方法主要是以下的四種：①字節(jié)置換變換；這種字節(jié)替代變換的方法主要是利用非線性查找表來(lái)完成字節(jié)替代來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每一個(gè)字節(jié)都可以表示為地址地址利用替代表來(lái)完成查表替換的工作，每個(gè)字節(jié)都能替換成對(duì)應(yīng)的字節(jié)。②行移位變換；在進(jìn)行行移位變換的過(guò)程中，我們可以將字節(jié)構(gòu)成的矩陣進(jìn)行循環(huán)移位，循環(huán)移位包括矩陣中每一行的元素，并且不同行位在移位是位移的量也是不同的。③列混合變換；列混合變換主要是將混合矩陣中的每個(gè)元素進(jìn)行充分的混合，這種混主要是在有限域的情況下通過(guò)線性轉(zhuǎn)換來(lái)對(duì)矩陣中的每個(gè)元素進(jìn)行混合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最佳線性分支數(shù)。④輪密鑰變換；這種變換主要是為了獲得每一輪需要的子密鑰，在矩陣中所有的元素都有其向?qū)?yīng)的子密鑰來(lái)完成運(yùn)算。

1.2 AES加密/解密的算法

加密算法是從第0輪的變換開(kāi)始的，明文以及種子密鑰都是通過(guò)循環(huán)密鑰來(lái)添加的，然后其結(jié)果為第1輪變換的輸入，然后依次進(jìn)行輸入，將變換過(guò)程循環(huán)進(jìn)行10輪，第10輪輸出密文。并且第10輪不需要完成列字節(jié)的混合變換過(guò)程。

等效解密的過(guò)程與加密的過(guò)程相類似。需要注意的是，等效解密的取逆過(guò)程、等效解密的輪密鑰等都與加密過(guò)程不相同。并且，等效解密在進(jìn)行第0輪以及第10輪時(shí)的輪密鑰與加密過(guò)程第10輪以及第0輪使用的輪密鑰分別相同，中間解密輪換過(guò)程中使用的輪密鑰分別與加密過(guò)程逆序后的輪密鑰相同。等效解密流程示意圖中的第0輪為種子密鑰。“＊”表示的是逆向列的字節(jié)混合變換。

2 資源共享的并行AES加密/解密的算法

2.1 字節(jié)置換加密/解密的算法

AES加密/解密算法中消耗資源最大并且影響時(shí)延最大的主要因素是字節(jié)置換以及列字節(jié)的混合變換。我們同仿射變換公式以及逆仿射變換公式可以構(gòu)造出S盒查找表，進(jìn)而完成字節(jié)置換的過(guò)程，該置換的速度雖然比較快，但是消耗的資源比較大，并且需要逆向的S盒來(lái)解密。但是，有限域GF（28）不適宜利用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們可以在復(fù)合域中來(lái)進(jìn)行字節(jié)置換的過(guò)程，并且該過(guò)程能有效的節(jié)約硬件資源。正向字節(jié)在置換的過(guò)程中，將輸入字節(jié)從GF（28）映射到GF（42），并且進(jìn)行乘法逆的過(guò)程，然后反映射到GF（28），最后在GF（2）GF仿射變換。其中，Affine以及InvAffine代表的是有限域GF（28）放射變換以及逆放射變換；Map以及InvMap代表的是映射以及反映射。

2.2 AES算法加密/解密算法并行實(shí)現(xiàn)

AES加密/等效解密輪的變化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1中所示，S表示的為正向/逆向字節(jié)置換結(jié)構(gòu)，MC/IMC表示的為正向/逆向列字節(jié)混合變換的結(jié)構(gòu)，key表示的為加密/等效解密循環(huán)密鑰擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中輸出輪密鑰kout，enc以及sel的是能，并且密鑰擴(kuò)展與加密/等效解密循環(huán)密鑰擴(kuò)展結(jié)構(gòu)相同，每輪的輸入din、輸出dout代表的為下一輪的din輸出，在循環(huán)11輪（其中包括第0輪），輸出也就是密文或是明文。

圖1 加密/等效解密輪變換結(jié)構(gòu)圖

2.3 實(shí)驗(yàn)算法以及比較

AES的加密/解密算法可以通過(guò)FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源共享的并行，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)時(shí)的描述可以采用VerilogHDL語(yǔ)言門級(jí)來(lái)進(jìn)行，通過(guò)層間的模塊結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。Verilog門級(jí)的描述能力相當(dāng)于其他的HDL來(lái)說(shuō)更加出色，控制影響的行為能力特別強(qiáng)，幾乎能夠直接控制，這也資源的控制也就更加方便。算法中我們先對(duì)小單元進(jìn)行門級(jí)描述，將其定位為子模塊，然后在更大的模塊中調(diào)用子模塊，通過(guò)各個(gè)變換描述來(lái)實(shí)現(xiàn)相互連接并且具有層次的子模塊，最后在將所有的變換模塊構(gòu)成整個(gè)的系統(tǒng)。并且，在實(shí)驗(yàn)中我們也能夠發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的算法能夠完成AES加密/解密的算法，并且資源消耗以及吞吐率也能實(shí)現(xiàn)較好的平衡。

3 總結(jié)

本文對(duì)AES算法中的字節(jié)置換進(jìn)行了分析，并且通過(guò)復(fù)合域來(lái)實(shí)現(xiàn)字節(jié)置換的變換，通過(guò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化來(lái)完成列字節(jié)的混合變換，這樣就有效的解決了資源的消耗以及變換時(shí)延，進(jìn)而通過(guò)資源共享的并行來(lái)完成AES加密/解密的算法。這種算法的資源消耗以及資源吞吐率能獲得較好的平衡，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]譚永栓，戴選民.資源共享的并行AES加密/解密算法及其實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)仿真，2008，25（9）．

[2]郭艷珍，韓文報(bào)，趙龍，劉佳瀟.AES列混合變換[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，10（3）.

TP309

A

1004-7344（2016）03-0276-01

2016-1-11

曾小麗（1982-），女，漢族，廣東廣州人，注冊(cè)會(huì)計(jì)師，本科，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)數(shù)據(jù)挖掘與萃取算法設(shè)計(jì)、信息安全等。