基于FPGA的高级数据加密AES中的字节替换设计

　　1 引言

　　随着网络技术和无线通信技术的飞速发展，人们对数据传输过程中的安全问题提出了迫切的要求，对于数据加密算述和技术研究也有越来越多的技术人员参与。目前，加密算法按照加密特点分为对称密文和不对密文二大类。AES [1](Advanced Encryption Standard)是NIST(National Institute of Suandard and T echnologies)继2000年10月选择Rijndael算法[2]之后，于2001年11月26日发布的新的对称数据加密算法。

　　本文首先介绍AES中的SubBytes(字节替换)概貌，并解析出它使用的算法原理，然后论述基于FPGA技术对AES中的字节替换仿真的设计与实现。笔者在运用FPGA技术的过程中完全采用NIST公司的AES算法标准。为了获得在面积和速度上的最佳优化，将流水线设计技术应用到本设计中。另外，本文所得到的仿真结果是在MAXPLUS-II 10.0上运用Verilog HDL硬件描述语言来实现的。

　　2 AES中的Subbytes算法描述

　　AES算法的核心有4种操作[3]：SubTytes(字节替换)、ShiftRows(行位移变换)、MixColumns(列混合变换)和AddRoundKey。这里，主要对SunBytes(字节替换)算法进行描述。

　　2.1 SunBytes字节替换

　　字节替换重要的是将一个8位数据转换为另一个不同的8位数据，这里要求一一对应，并且替换结果不能超出8位。例如将00H转换成63H。这个重要的特性正好符合Galois Field(GF)-伽罗瓦域特性。由于转换的数据是8位的，所以符合GF(28)域特性，即GF(28)域中进行的加法或乘法操作的结果必须在{0x00 ...0xff}这组数中。虽然GF()域论是相当深奥的，但GF()域加法的最终结果却很简单，GF()加法就是异或(XOR)操作。关于GF()加法和乘法，将在2.3字节中进行描述。

　　根据NIST描述的ASE算法标准，SunBytes字节替换连续进行以下变换便可达到替换要求。

　　(1)在GF(28)域中进行乘法变换，即实现多项式m(x)=x8+x4+x3+x+1变换，称之为“multiplicative inverse”。

　　(2)在GF(28)域中进行交换来实现如下矩阵，称之为“affine transformation”。例如“CA”被变换成“ED”。

　　2.2 在GF(28)域中进行的变换算法

　　上节所示的二种变换中第二种变换容易实现，而对于第一种变换，假设输入为Y，则输出应为Y-1。在GF(28)域中满足Y255=1[3]，所以Y-1=Y-1·Y255=Y254。根据这个公式我们就能将求逆变换Y-1转变成在GF(28)域的乘法Y254运算。

　　2.3 GF(28)域中的加法和乘法

　　GF(28)域的一个主要特点是加法或乘法操作的结果必须在{0x00 ...0xff}这组数中。虽然GF()域论是相当深奥的，但GF(28)域加法的最终结果却很简单。GIF[28]加法即就是异或(XOR)操作。而乘法运算有点繁锁。如果进行乘法运算的二个8位数为A=(a7,a6,a5,a4,a3,a2,a1,a0),B=(b7,b6,b5,b4,b3,b2,b1,b0)。