当前位置:首页 > 单片机 > 单片机
[导读] 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

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。

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
    mov r15,temp; r5 r9 r13 r18 r18 r5 r9 r13
    mov temp,r4
    mov temp1,r8
    mov r4,r12
    mov r8,r17
    mov r12,temp
    mov r17,temp1
    mov temp,r18
    mov r18,r13
    mov r13,r9
    mov r9,r5
    mov r5,temp
    ret

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:*运算不是普通的乘法运算,而是特殊的运算,即

  b(x)=c(x)·a(x)(mod x4+1)

对于这个运算

  b0=02。a0+03。a1+a2+a3

令xtime(a0)=02。a0

其中,符号“。”表示模一个八次不可约多项式的同余乘法[3]。

    mov temp,a0;这是一个mixcolimn子程序
    rcall xtime;调用xtime程序
    mov a0,temp
    mov temp,a1
    rcall xtime
    eor a0,a1
    eor a0,temp
    eor a0,a2
    eor a0,a3;完成b(x)的计算
    …
  xtime:;这是一个子程序
    ldi temp1,$1b
    lsl temp
    brcs next1;如果最高位是1,则转移
  next: ret;否则什么也不变化
  next1:eor temp,temp1
    rjmp next


对于逆变化,其矩阵C要改变成相应的D,即b(x)=d(x)*a(x)。


④ 密钥加层运算(addround)是将圈密钥状态中的对应字节按位“异或”。

⑤ 根据线性变化的性质[1],解密运算是加密变化的逆变化。这里不再详细叙述。

1.2 轮变化

对不同的分组长度,其对应的轮变化次数是不同的,如表1所列。

表1 AES类型与基参数的关系

1.3 密钥扩展

AES算法利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk),通过密钥的扩展程序得到共计4(Nr+1)字的扩展密钥。它涉及如下三个模块:

  ① 位置变换(rotword)——把一个4字节的序列[A,B,C,D]变化成[B,C,D,A];

  ② S盒变换(subword)——对一个4字节进行S盒代替;

  ③ 变换Rcon[i]——Rcon[i]表示32位比特字[xi-1,00,00,00]。这里的x是(02),如
Rcon[1]=[01000000];Rcon[2]=[02000000];Rcon[3]=[04000000]……

扩展密钥的生成:扩展密钥的前Nk个字就是外部密钥K;以后的字W[[i]]等于它前一个字W[[i-1]]与前第Nk个字W[[i-Nk]]的“异或”,即W[[i]]=W[[i-1]]?W[[i- Nk]]。但是若i为Nk的倍数,则W[i]=W[i-Nk]?Subword(Rotword(W[[i-1]]))?Rcon[i/Nk]。

程序执行的时候,主要调用以上几个子程序,具体实现如下:

  Keyexpansion:
    rcall rotwoed
    rcall subword
    rcall Rcon
    …
    AES的加密与解密流程如图1所示。



图1 AES的加密和解密流程

2 AES加密、解密算法的优化

由以上算法的流程中可以清楚地看到,整个算法中程序耗时最多的就是圈变化部分,因此对于算法的优化也就在此;而圈变化部分可以优化的也就是列变化。因为列变化是一个模乘同余规则。由于AES加密和解密是不对称的,如果不对其进行优化,会使算法的解密速度远远大于加密的速度[1]。

① 加密运算。对列变换(Mixcolumn)可以通过调用xtime子程序进行优化。具体算法[1]实现如下:

另一种有效的优化方法就是离线构造一个表格,即列变化表格。这样只要通过查表的方式就可以提高加密速度。

② 解密算法的优化。由于解密的列变换的系数分别是09、0E、0B和0D。在AVR单片机上实现以上的乘法显然是需要很多的时间,从而导致了解密的性能降低。

优化方法一:对列变化进行分解使倍乘次数降低。

仔细研究解密矩阵的系数,不难发现解密矩阵和加密矩阵有着一定的联系,即解密矩阵等于加密矩阵和一个矩阵的相乘。通过这样的联系,就可以对算法进行优化:

这样一来,只用几个简单的“异或”就可以实现列变化,使倍乘的次数降低,提高解密的速度。

优化方法二:构造表格。

同加密构造方法一样,可以构造四个表格T[ea]=e×a; T[9a]=9×a;T[9a]=9×a;T[ba]=b×a。这样一来,也只需要进行查表和简单的异或就可以完成解密的任务。虽然这种方法将增加额外的开销,但是它却是一种有效的方法。


3 AES加密与解密的实验仿真

根据以上实验步骤和优化方法得出表2、3所列实验结果。

表2 AES-128不同加密方法性能比较


设主密钥为:000102030405060708090a0b0c0d0e0f(128bit)。
加密明文:00112233445566778899AABBCCDDEEFF。
密文:69C4E0D86A7B0430D8CDB78070B4C55A。
解密密文:69C4E0D86A7B0430D8CDB78070B4C55A。
明文:00112233445566778899AABBCCDDEEFF。

总之,AES密码是一个非对称密码体制,它的解密要比加密复杂和费时。解密优化算法没有增加存储空间的基础上,以列变化为基础进行处理,程序比原始的要小,而且节约了时间。解密优化方法速度最快,效率最高,但要增加系统的存储空间,因此它的程序也是最大的一个。

注:AES-128数据加密解密程序见本刊网站(www.dpj.com.cn)。

结语

AES高级数据加密算法不管是从安全性、效率,还是密钥的灵活性等方面都优于DES数据加密算法,在今后将逐步代替DES而被广泛应用。本文基于AVR的高速计算性能实现了AES算法,并结合汇编语言进行了算法的优化。根据实际应用的具体需要,可以选用相应的方法。

参考文献

1 宋震,等. 密码学. 北京:中国水利水电出版社,2002
2 杨义先.现代密码新理论.北京:科学出版社,2002
3 谷大武,等.高级加密标准(AES)算法—Rijndael的设计.北京:清华大学出版社,2003
4 耿德根,等.AVR单片机应用技术.北京:北京航空航天大学出版社,2002
5 宋建国,等.AVR高速嵌入式单片机原理与应用.北京:北京航空航天大学出版社,2001
6 NIST. Advanced Encryption Standard (AES) .FEDeral Information Processing Standards PublICation,2001


本站声明: 本文章由作者或相关机构授权发布,目的在于传递更多信息,并不代表本站赞同其观点,本站亦不保证或承诺内容真实性等。需要转载请联系该专栏作者,如若文章内容侵犯您的权益,请及时联系本站删除。
换一批
延伸阅读

9月2日消息,不造车的华为或将催生出更大的独角兽公司,随着阿维塔和赛力斯的入局,华为引望愈发显得引人瞩目。

关键字: 阿维塔 塞力斯 华为

加利福尼亚州圣克拉拉县2024年8月30日 /美通社/ -- 数字化转型技术解决方案公司Trianz今天宣布,该公司与Amazon Web Services (AWS)签订了...

关键字: AWS AN BSP 数字化

伦敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英国汽车技术公司SODA.Auto推出其旗舰产品SODA V,这是全球首款涵盖汽车工程师从创意到认证的所有需求的工具,可用于创建软件定义汽车。 SODA V工具的开发耗时1.5...

关键字: 汽车 人工智能 智能驱动 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越来越多用户希望企业业务能7×24不间断运行,同时企业却面临越来越多业务中断的风险,如企业系统复杂性的增加,频繁的功能更新和发布等。如何确保业务连续性,提升韧性,成...

关键字: 亚马逊 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,据媒体报道,腾讯和网易近期正在缩减他们对日本游戏市场的投资。

关键字: 腾讯 编码器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中国国际大数据产业博览会开幕式在贵阳举行,华为董事、质量流程IT总裁陶景文发表了演讲。

关键字: 华为 12nm EDA 半导体

8月28日消息,在2024中国国际大数据产业博览会上,华为常务董事、华为云CEO张平安发表演讲称,数字世界的话语权最终是由生态的繁荣决定的。

关键字: 华为 12nm 手机 卫星通信

要点: 有效应对环境变化,经营业绩稳中有升 落实提质增效举措,毛利润率延续升势 战略布局成效显著,战新业务引领增长 以科技创新为引领,提升企业核心竞争力 坚持高质量发展策略,塑强核心竞争优势...

关键字: 通信 BSP 电信运营商 数字经济

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央广播电视总台与中国电影电视技术学会联合牵头组建的NVI技术创新联盟在BIRTV2024超高清全产业链发展研讨会上宣布正式成立。 活动现场 NVI技术创新联...

关键字: VI 传输协议 音频 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日举办的2024年长三角生态绿色一体化发展示范区联合招商会上,软通动力信息技术(集团)股份有限公司(以下简称"软通动力")与长三角投资(上海)有限...

关键字: BSP 信息技术
关闭
关闭