一種AES密碼算法的硬件實現

0 引言
密碼模塊是安全保密系統的重要組成部分，其核心任務就是加／解密數據。目前，分組密碼算法AES以其高效率、低開銷、實現簡單等特點被廣泛應用于密碼模塊的研制。隨著計算機信息技術和超大規模集成電路技術的成熟與發展，通過硬件來實現密鑰模塊的內部運作，可保證在外界無密鑰的明文流動，能夠實現真正意義上的保密。此外，硬件實現還具有高速、高可靠性等特點。目前許多AES算法的硬件實現采用基于RAM查找表方式來實現算法中最關鍵的SubBytes部分。本文采用復合域來實現SubBytes部分的求逆運算，以便于采用組合邏輯減小面積。同時采用加／解密運算中列變換的部分電路進行復用，從而進一步節省實現面積。這樣可以使AES密碼應用于RFID系統，IC卡等面積要求較小的場合。

1 AES算法簡介
AES算法是一種迭代型分組密碼，其分組長度和密鑰長度均可變，各自可以獨立指定為128 b，192 b，256 b。本文主要討論分組長度和密鑰長度為128 b的情況。AES算法是將輸入的明文(或密文)分成16個字節，在第一個Add Round Keys變換后進入10輪迭代。迭代過程的前9輪完全相同，依次經過字節代替(substitute bytes)、行移位(shift rows)、列混合(mixcolumns)、輪密鑰加(add round keys)，最后一輪則跳過了列混合(mix columns)。解密過程與加密過程類似，但執行順序與描述內容有所不同，因此AES算法的加解密運算需要分別實現。

2 AES算法的硬件設計
根據AES算法的原理和基本結構，將整個AES算法模塊分成4個相對獨立的子模塊：接口模塊、控制單元模塊、加解密運算模塊、密鑰擴展模塊。本文所設計的密碼算法不包括密鑰發生器，所用的密鑰通過接口模塊由外部輸入，加解密運算后的數據經輸出接口輸出。AES算法模塊的總體結構如圖1所示。

2．1 接口模塊的設計
輸入接口模塊的主要任務是：將數據傳送到加解密運算模塊，將外部輸入的密鑰傳送到密鑰擴展模塊。由于明文和密鑰輸入都是128位，將導致整個模塊的輸入／輸出過多，占用太多資源，考慮到本文的設計主要應用于對面積要求較小的場合使用，如RFID系統中數據的傳輸，即每次傳輸的數據是64位，故采用4個32位寄存器，在時鐘的控制下每次輸入1組32位，通過4個時鐘周期可得到128位的數據，可以有效減少資源的占用。輸出接口模塊的作用是將128位的解密運算結果輸出，同樣也采取32位分4組輸出的方法。