1 、AES-RijndaeI算法總體結(jié)構(gòu)

AES-Rijndael算法是一個(gè)替換一置換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分組密碼算法。它的設(shè)計(jì)基于有限域上的多項(xiàng)式運(yùn)算，密碼算法的主體結(jié)構(gòu)由4部分組成：SubBytes，進(jìn)行S-盒非線性變換；ShiftRows，狀態(tài)矩陣的水平置換；MixCol-umns，執(zhí)行有限域GF(28)上的矩陣乘運(yùn)算；AddRoundK-eys，通過(guò)簡(jiǎn)單異或運(yùn)算使子密鑰與狀態(tài)矩陣發(fā)生聯(lián)系。算法經(jīng)過(guò)Nr輪變換，將一個(gè)128位明文分組加密成為一個(gè)128位的密文分組。這里Nr是一個(gè)與密鑰長(zhǎng)度相關(guān)的常數(shù)。對(duì)于128位密鑰的情況，Nr的值為 10。除了最后一輪外，其他每一輪加密過(guò)程都相同。最后一輪加密中省去了 MixColumns變換，以抵抗某些特殊密碼分析。

2 、循環(huán)展開(kāi)和流水線優(yōu)化

對(duì)于前述AES加密過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，如圖1(a)所示，我們針對(duì)可重構(gòu)平臺(tái)下4個(gè)變換函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的加密過(guò)程時(shí)鐘頻率達(dá)到了127．9 MHz。這樣，對(duì)于一個(gè)128位明文分組的加密需要11個(gè)時(shí)鐘周期，因此，其加密速率為1．49 Gb／s。這一速率已經(jīng)能滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的需要，然而為了滿足一些更高速應(yīng)用的需要，可以通過(guò)改變加密處理過(guò)程體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化相應(yīng)設(shè)計(jì)。要提高加密速率，最簡(jiǎn)單的方法是使用循環(huán)展開(kāi)技術(shù)將迭代加密的結(jié)構(gòu)展開(kāi)，并將多份加密輪變換電路的輸入輸出首尾相連，如圖1(b)所示。這樣可以節(jié)省寄存器建立延遲和選路器的傳輸延遲時(shí)間，從而加快加密變換處理的速度。然而，這種方法會(huì)消耗大量的邏輯資源，并且性能提高得不多。根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)，循環(huán)展開(kāi)后的芯片速度比迭代結(jié)構(gòu)增加了17％，然而所消耗的邏輯資源卻是迭代結(jié)構(gòu)的6倍。因此，這一優(yōu)化方法的效率是極其低的；只有在對(duì)性能要求很高，但資源又充分的情況下才能采用。

另外一種優(yōu)化方法是使用流水線技術(shù)。它是將關(guān)鍵執(zhí)行路徑切分為多級(jí)短的執(zhí)行步，并在各執(zhí)行步電路間插入寄存器存儲(chǔ)上一級(jí)執(zhí)行結(jié)果。這樣，雖然關(guān)鍵執(zhí)行路徑?jīng)]有變短，但電路可以在一個(gè)較少的時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)塊的加密，從而提高了并發(fā)程度，因此，加密速率也就能大大提高。在設(shè)計(jì)加密算法處理流水線的過(guò)程中，最常用的是輪間流水線技術(shù)。輪問(wèn)流水線技術(shù)是將循環(huán)展開(kāi)結(jié)構(gòu)按各加密輪切分為一系列的流水線，其中每一輪加密變換為一級(jí)。在流水線的各級(jí)之間插入寄存器，寄存器由同步時(shí)鐘來(lái)控制，每次時(shí)鐘觸發(fā)，就保存上一次的變換結(jié)果，同時(shí)將之前保存的結(jié)果送流水線處理部件處理并將結(jié)果保存到下一級(jí)寄存器中，如圖1(c)所示。根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖3)，輪間流水線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，加密速率是迭代結(jié)構(gòu)的12倍；同時(shí)資源消耗也大量增長(zhǎng)，是迭代結(jié)構(gòu)的7倍。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，輪間流水線技術(shù)是一種對(duì)分組加密算法很有效的優(yōu)化技術(shù)。特別是當(dāng)算法中加密輪函數(shù)較為簡(jiǎn)單的情況下，輪間流水線技術(shù)是相當(dāng)適用的；但是，對(duì)于一些輪函數(shù)復(fù)雜，加密輪數(shù)較少的算法，輪問(wèn)流水線技術(shù)的優(yōu)化效果就不是很突出了。

Chodowiec等人提出了輪內(nèi)流水線技術(shù)，以優(yōu)化這類加密變換輪較為復(fù)雜的算法。輪內(nèi)流水線將加密輪分割為多級(jí)，在每一級(jí)間插入寄存器，以實(shí)現(xiàn)流水線，如圖2(a)所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于所增加的資源消耗很少，僅需多級(jí)寄存器；然而也存在缺點(diǎn)，輪內(nèi)流水線很難平衡各級(jí)間的延遲，而整體時(shí)鐘的頻率只能由最長(zhǎng)流水線的延遲決定。我們的實(shí)驗(yàn)將AES加密函數(shù)按其組成模塊分割為4級(jí)流水線，要將其分為更多級(jí)也是可以做到的，但較為困難，因?yàn)轭愃芐一盒這樣的長(zhǎng)結(jié)構(gòu)很難再分，而它們的延遲將決定總體時(shí)鐘的頻率。

根據(jù)圖3所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，輪內(nèi)流水線結(jié)構(gòu)的執(zhí)行效率比迭代結(jié)構(gòu)的執(zhí)行效率高5倍，而所需資源反而比迭代結(jié)構(gòu)減少11％。經(jīng)分析，輪間流水線結(jié)構(gòu)加入了模塊問(wèn)寄存器，所需資源應(yīng)該增加，而實(shí)際綜合結(jié)果卻是減少。為此我們?cè)敿?xì)分析了兩模塊中各結(jié)構(gòu)的綜合報(bào)告。從報(bào)告的數(shù)據(jù)看，應(yīng)該是邏輯綜合軟件對(duì)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，使得輪間流水線結(jié)構(gòu)所需資源反而減少。

為了達(dá)到極高的加密速度，將輪內(nèi)流水線和輪外流水線結(jié)合使用，設(shè)計(jì)了混和輪內(nèi)外流水線結(jié)構(gòu)?；旌陷唭?nèi)外流水線結(jié)構(gòu)具有極短的流水線單級(jí)延遲，因而時(shí)鐘頻率可以提高到212．5 MHz。同時(shí)，混合輪內(nèi)外流水線結(jié)構(gòu)能夠在每一時(shí)鐘周期內(nèi)完成一個(gè)數(shù)據(jù)分組的加密，這樣，加密的速度就可以達(dá)到27．1 Gb／s。這一速度是目前有關(guān)AES的高速加密芯片實(shí)現(xiàn)的報(bào)告中數(shù)據(jù)較高的。為了達(dá)到這樣高的加密速度，所需要的資源也是相當(dāng)可觀的。邏輯綜合結(jié)果顯示，完成這一設(shè)計(jì)需要17 887個(gè)邏輯單元，如圖4所示。這相當(dāng)于4塊Xilinx XC2V1000 FPGA的容量。同時(shí)，我們也*估了各種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的效率，用速率資源比，即每秒所能進(jìn)行加密的Mb數(shù)除以設(shè)計(jì)所需的邏輯單元數(shù)目得到的比值作為結(jié)構(gòu)的效率。從圖5可以看到，輪內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)是最高效的一種設(shè)計(jì)，其比值為3．49；而循環(huán)展開(kāi)結(jié)構(gòu)效率最低，僅0．12。因此，在邏輯資源相對(duì)有限的條件下，選擇使用輪內(nèi)循環(huán)是比較合適的。

3 、結(jié) 論

綜上所述，除對(duì)AES加密算法基本運(yùn)算變換的優(yōu)化外，算法的整體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)其加密性能的影響是很重要的一個(gè)方面。一般情況下，在對(duì)效率要求不是很高的環(huán)境中，迭代結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，所需資源最少，因而較為合適；但要達(dá)到更高的加密效率，并且希望實(shí)現(xiàn)代價(jià)較低的情況下，采用輪內(nèi)流水線結(jié)構(gòu)是一個(gè)較為合理的折中方案；只有當(dāng)有大量資源可用并且追求最高的加密性能時(shí)，才有必要采用輪內(nèi)輪間多級(jí)混合流水線結(jié)構(gòu)。