[發明專利]256比特位密鑰擴展系統及方法

有效

• 申請號: 201210133163.8
• 申請日: 2012-05-02
• 公開（公告）號: CN102647272A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 郝躍;趙哲斐;史江一;邸志雄;李康;趙彥尚
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04L9/06
• 分類號: H04L9/06
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于安全技術領域，涉及數據加密，特別涉及高級加密標準AES中的密鑰擴展方法，可用于網絡通信。

背景技術

高級加密標準AES是美國國家標準技術研究所NIST旨在取代數據加密標準DES，于2001年11月公開的加密算法。目前，AES算法已廣泛的應用于加密協議、通信終端以及服務器等高端產品中。

AES算法采用了Rijnddel對稱密鑰算法的子集，支持長度為128比特位的分組和長度為128、192和256比特位的密鑰。該算法通過對初始密鑰進行密鑰擴展得到輪密鑰，并用輪密鑰對128位的數據塊進行加密和解密。

在AES算法中，根據初始密鑰的長度不同，加密的輪數r有所不同；在初始密鑰長度為128比特位、192比特位和256比特位的情況下，相應的輪數r分別為10、12和14。由于每一輪加密都需要不同的128比特位的輪密鑰與數據塊進行按位異或操作，而初始密鑰長度只能為128比特位、192比特位或256比特位，無法為每輪加密提供不同的輪密鑰，故該算法包含了密鑰擴展算法，用于把初始密鑰擴展成長度為1280比特位、1536比特位或1792比特位的數據串，從而生成加密所需要的所有輪密鑰。

目前廣泛應用的密鑰擴展方法有兩種：一種是《A?Rijndael?Cryptoprocessor?Using?Shared?On-the-fly?Key?Scheduler》所使用的實時密鑰擴展方法，即密鑰擴展單元在進行密鑰擴展的同時為加密進程提供輪密鑰；這種方法的缺點在于輪密鑰無法重用，因而對于數據量大、需要連續使用輪密鑰的場合，持續執行密鑰擴展操作所帶來的功耗較大；另一種是《AES算法的一種優化的FPGA實現方法》所使用的預密鑰擴展方法，即先進行密鑰擴展生成所有的輪密鑰并存儲到內存中，再進行加密；在該方法中，由于加密流程要等待密鑰擴展完成之后才能進行，從而增加了加密所需要的時間，降低了整個加密過程的效率。

發明內容

本發明的目的在于針對上述傳統方法的不足，提出一種256比特位密鑰擴展系統及方法，以兼顧密鑰擴展的實時性以及輪密鑰的可重用性，降低密鑰擴展的功耗，提高密鑰擴展的效率。

為實現上述目的，本發明256比特位密鑰擴展系統，包括：

擴展計數單元，用于對序號n進行加1操作，并將序號n輸出；

暫存單元，由位寬均為32比特的60個寄存器構成，用于暫存初始密鑰和輪密鑰，保證密鑰擴展進程能夠即時取用；

輪密鑰存儲單元，采用位寬為32比特位，深度為60的雙口SDRDM，用于存儲初始密鑰和輪密鑰，保證在密鑰擴展進行的同時能夠為加密流程實時的提供輪密鑰，并保證對后續數據塊進行加密時無需密鑰擴展即可直接讀取已存儲輪密鑰；

循環寄存器，用于存儲供字循環單元讀取使用的32比特位的值；

字循環單元，用于對循環寄存器中的值進行循環左移1個字節的操作，并將結果輸出給替換寄存器；

替換寄存器，用于存儲供字節替換單元讀取使用的32比特位的值；

字節替換單元，用于根據序號n執行字節替換操作：若序號n為0-5，則將替換寄存器中的值作為地址分為從第31位到第24位、從第23位到第16位、從第15位到第8位和從第7位到第0位這4個字節發送給S盒單元，并將S盒單元的返回值按照發送地址時的順序從高到低組合后作為字節替換的一次輸出，發送給異或單元；在替換寄存器被異或單元重新賦值之后，再執行一次上述操作，并將結果作為字節替換單元的二次輸出，發送給異或單元；若序號n為6，則將替換寄存器中的值作為地址分為從第31位到第24位、從第23位到第16位、從第15位到第8位和從第7位到第0位這4個字節發送給S盒單元，并將S盒單元的返回值按照發送地址時的順序從高到低組合后作為字節替換的一次輸出，發送給異或單元；

S盒單元，采用四個預存有S盒的ROM，用于將字節替換單元發送的四個地址在S盒中所對應的四個8比特位的值返回給字節替換單元；

輪常數選擇單元，用于根據序號n，從8個16進制的候選值：0，1，2，4，8，10，20，40中選出一個值輸出給異或單元；

異或寄存單元，包括位寬均為32比特位的0號寄存器、1號寄存器、2號寄存器、3號寄存器、4號寄存器、5號寄存器、6號寄存器和7號寄存器，用于存儲異或單元所要使用的32比特位的值；