一种AES解密复用轮变换电路结构制造技术

本发明专利技术公开AES解密电路中的复用轮变换运算单元结构，包括依次相连接的以下部件：第一合成矩阵乘法运算单元、选择器、常数加运算单元、复合域乘法逆运算单元、第二选择器、第二合成矩阵乘法运算单元和第三选择器；其中，所述第一合成矩阵乘法运算单元的输入端设置为数据输入端口，所述第二合成矩阵乘法运算单元的输入端设置为密钥输入端口；所述选择器、第二选择器和第三选择器还设置有选择信号输入端口；所述第三选择器的输出端设置为数据输出端口。该AES解密电路中的复用轮变换运算单元结构降低电路实现面积，在循环结构AES密码电路实现时节省大量电路资源。

【技术实现步骤摘要】
一种AES解密复用轮变换电路结构
本专利技术涉及密码电路实现
，具体地，涉及AES解密电路中的复用轮变换运算单元结构。
技术介绍
AES(AdvancedEncryptionStandard，高级加密标准)是由美国国家标准与技术研究院2001年制定的新一代分组对称密码算法，用于取代原来的DES(DataEncryptionStandard，数据加密标准)。目前，AES密码算法已经被多个国际标准组织所采用，是目前使用最广泛的分组密码算法。AES密码算法的数据分组长度为128比特，密钥长度有128，192和256比特三种，分别称为AES-128，AES-192，AES-256。AES算法是一个迭代算法，每一个迭代可以称为轮变换，密钥长度不同，轮变换数量也不同，AES-128，AES-192，AES-256的轮变换数量Nr分别为10，12，14。AES加密流程如附图1所示，输入的明文数据首先进行密钥加运算；然后经过Nr-1轮普通轮变换，在每个普通轮变换中按顺序进行字节替换、行移位、列混合和密钥加四个子运算；最后经过一轮末轮变换，末轮变换按顺序进行字节替换、行移位和密钥加三个子运算。AES解密流程是与加密过程相反的一个过程，如图2所示，输入的密文数据首先进行一轮首轮变换，首轮变换为加密流程中末轮变换的逆运算，包括密钥加、逆行移位、逆字节替换三个子运算；然后进行Nr-1轮普通轮变换，普通轮变换为加密流程中普通轮变换的逆运算，包括密钥加、逆列混合、逆行移位和逆字节替换；最后进行一个密钥加运算。逆列混合、逆行移位和逆字节替换分别为加密流程中列混合、行移位和字节替换的逆运算。全展开结构和循环结构是AES密码电路实现的两种基本结构，附图3为这两种电路结构的示意图。如图3所示，在全展开结构AES密码电路中，需要Nr个轮变换单元依次对输入的明文数据进行处理。全展开结构AES密码电路通过采用流水线技术可以大大提高电路处理速度，因此适用于高速数据处理电路中。在循环结构AES密码电路中，只采用一个轮变换单元完成所有的AES加密运算，因此适用于电路面积受限的应用场合。如图1所示的轮变换运算中，由于末轮变换不需要列混合运算，因此，在循环结构AES密码电路，轮变换电路需要设计成可重构电路，同时支持普通轮变换运算功能和末轮变换运算功能。在已有的公开文献中，所提出的基于合并运算的AES轮变换电路，都是以增加电路面积为代价对关键路径长度进行了优化。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种AES解密电路中的复用轮变换运算单元结构，该AES解密电路中的复用轮变换运算单元结构降低电路实现面积，在循环结构AES密码电路实现时节省大量电路资源。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种AES解密电路中的复用轮变换运算单元结构，该AES解密电路中的复用轮变换运算单元结构包括依次相连接的以下部件：第一合成矩阵乘法运算单元、选择器、常数加运算单元、复合域乘法逆运算单元、第二选择器、第二合成矩阵乘法运算单元和第三选择器；其中，所述第一合成矩阵乘法运算单元的输入端设置为数据输入端口，所述第二合成矩阵乘法运算单元的输入端设置为密钥输入端口；所述选择器、第二选择器和第三选择器还设置有选择信号输入端口；所述第三选择器的输出端设置为数据输出端口。优选地，所述第一合成矩阵乘法运算单元的输入端和两个输出端都为四个字节，且所述第一合成矩阵乘法运算单元的两个输出端都连接于所述选择器的输入端。优选地，所述常数加运算单元的输入端和输出端都为四个字节，所述常数加运算单元的输入端连接于所述选择器的输出端。优选地，所述第二合成矩阵乘法运算单元的两个输入端和两个输出端都为四个字节，且所述第一合成矩阵乘法运算单元的两个输出端都连接于所述第三选择器的输入端，所述第一合成矩阵乘法运算单元的一个输入端连接于所述第二选择器的输出端，另一个输入端设置为密钥输入端口。优选地，所述第一合成矩阵乘法运算单元将输入的由四个字节数据组成的一组列向量与合成矩阵进行乘法运算；合成矩阵由常数矩阵组合而成；常数矩阵为常数矩阵δ和常数矩阵τ′的乘积；常数矩阵为常数矩阵δ、常数矩阵τ′和常数矩阵的乘积；常数矩阵为常数矩阵δ、常数矩阵τ′和常数矩阵的乘积；常数矩阵为常数矩阵δ、常数矩阵τ′和常数矩阵的乘积；常数矩阵为常数矩阵δ、常数矩阵τ′和常数矩阵的乘积；常数矩阵δ为映射矩阵，其作用是将GF(28)域上的元素映射到复合域上；常数矩阵τ′为逆S盒运算中逆仿射运算所指定的常数矩阵；常数矩阵分别为GF(28)域上乘常数×{09}16、×{0b}16、×{0d}16、×{0e}16的矩阵形式。优选地，所述二选一选择器从所述第一合成矩阵乘法运算单元输出的两个输出数据中选择一个输出数据送入常数加运算单元中。优选地，所述常数加运算单元实现输入的四个字节数据的加常数ωλ运算；常数ωλ为常数矩阵δ、常数矩阵τ'和常数ω的乘积；常数ω为逆S盒运算中逆仿射运算所指定的字节常数。优选地，所述复合域乘法逆运算单元实现输入的四个字节数据在复合域上的乘法逆运算；该复合域为任意与GF(28)域同构的复合域。优选地，所述第二合成矩阵乘法运算单元将输入的四个字节数据和四个字节密钥组成的一组列向量与合成矩阵进行乘法运算；合成矩阵由常数矩阵δ'和常数矩阵组合而成；常数矩阵δ′为映射矩阵，其作用是将复合域上的运算结果映射回GF(28)域上；常数矩阵分别为GF(28)域上乘常数×{01}16的矩阵形式。本专利技术提出的AES解密复用轮变换运算单元可以实现首轮变换/普通变换可重构运算，基于上述的AES解密复用轮变换运算单元结构，本专利技术还提供一种AES解密方法，该方法的解密步骤包括：步骤1，进行一轮首轮变换；步骤2，进行Nr–1轮普通轮变换；优先地，在步骤1中，所述首轮变换先后进行以下运算：密钥加、移位运算、逆字节替换运算和密钥加运算；优先地，在步骤2中，所述普通轮变换先后进行以下运算：逆列混合运算、逆行移位运算、逆字节替换运算和密钥加运算。根据上述技术方案，本专利技术合成矩阵与合成矩阵将AES解密算法中的复合域映射运算、仿射运算、列混合运算与密钥加运算进行合并，在硬件实现时，可以大大减少电路的关键路径长度。公共项消除算法是线性运算单元最有效的电路优化方法，研究表明电路规模越大，电路效率越高，因此本专利技术通过矩阵合并与合成将若干小规模线性运算单元组合成大规模的线性运算，有利于电路优化效率的提高，减少电路实现面积。本专利技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为AES密码算法加密流程；图2为AES密码算法解密流程；图3为AES密码电路基本实现结构：(a)全展开结构，(b)循环结构；图4为本专利技术提出的AES解密轮变换构建方法流程图；图5为本专利技术提出的AES解密轮变换复用电路结构；图6为基于本专利技术提出的AES解密复用轮变换运算单元解密复用轮变换运算单元的32bit位宽循环结构AES解密电路；图7为基于本专利技术提出的AES解密复用轮变换运算单元解密复用轮变换运算单元的64bit位宽循环结构AES解密电路；图8为基于本专利技术提出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种AES解密复用轮变换电路结构，其特征在于，该AES解密复用轮变换电路结构包括依次相连接的以下部件：第一合成矩阵乘法运算单元、选择器、常数加运算单元、复合域乘法逆运算单元和第二合成矩阵乘法运算单元；其中，所述第一合成矩阵乘法运算单元的输入端设置为数据输入端口，所述第二合成矩阵乘法运算单元的输入端设置为密钥输入端口；所述选择器还设置有选择信号输入端口；所述第二合成矩阵乘法运算单元的输出端设置为数据输出端口。

【技术特征摘要】
1.一种AES解密复用轮变换电路结构，其特征在于，该AES解密复用轮变换电路结构包括依次相连接的以下部件：第一合成矩阵乘法运算单元、选择器、常数加运算单元、复合域乘法逆运算单元和第二合成矩阵乘法运算单元；其中，所述第一合成矩阵乘法运算单元的输入端设置为数据输入端口，所述第二合成矩阵乘法运算单元的输入端设置为密钥输入端口；所述选择器还设置有选择信号输入端口；所述第二合成矩阵乘法运算单元的输出端设置为数据输出端口。2.根据权利要求1所述的AES解密复用轮变换电路结构，其特征在于，所述第一合成矩阵乘法运算单元的输入端和两个输出端都为四个字节，且所述第一合成矩阵乘法运算单元的两个输出端都连接于所述选择器的输入端。3.根据权利要求1所述的AES解密复用轮变换电路结构，其特征在于，所述常数加运算单元的输入端和输出端都为四个字节，所述常数加运算单元的输入端连接于所述选择器的输出端。4.根据权利要求1所述的AES解密复用轮变换电路结构，其特征在于，所述第二合成矩阵乘法运算单元的输入端和输出端都为四个字节，且所述第二合成矩阵乘法运算单元的输出端设置为数据输出端口。5.根据权利要求1所述的AES解密复用轮变换电路结构，其特征在于，所述第一合成矩阵乘法运算单元将输入的由四个字节数据组成的一组列向量与合成矩阵进行乘法运算；合成矩阵由常数矩阵组合而成；常数矩阵为常数矩阵δ和常数矩阵τ′的乘积；常数矩阵为常数矩阵δ、常数矩阵τ′和常数矩阵的乘积；常数矩阵为常数矩阵δ、常数矩阵τ′和常数矩阵的乘积；常数矩阵为常数矩阵δ、常数矩阵τ′和常数矩阵的乘积；常数矩阵为常数矩阵δ、常数矩阵τ′和常数矩阵的乘积；常数矩阵δ为映射矩阵，其作用是将GF(28)域上的元素映射到复...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑辛星，张肖强，杨顺，刘浩东，
申请(专利权)人：芜湖职业技术学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34