AES加密算法及其IC设计方法研究

论文摘要

随着社会信息产业的发展,信息安全越来越受到重视。信息安全主要是由安全协议和密码算法组成,其中密码算法是信息安全的基础和核心技术。另外,目前密码算法的实现正逐渐由软件实现向硬件实现过渡,硬件实现的密码产品越来越受到重视。所以研究分析当今流行的密码算法及其硬件实现对我国的信息安全有很大的意义。AES算法作为新一代美国数据加密标准实际上已经成为国际标准,而且由于AES算法是全免费公开的,所以基于该算法的密码产品特别是用硬件实现的产品将得到更为广泛的应用。本文首先介绍了AES算法的基本原理、设计原则,详细地描述了该算法的结构,并针对其设计原则分析了它的设计技巧,总结了该算法的优缺点;也介绍了该算法的实现情况。然后,分析了AES算法的安全性能,总结算法抵抗现有攻击的能力,给出了四轮square攻击的伪代码;介绍了最新的一种代数计算攻击:xsL攻击。接着,本文对AES算法进行了深入的分析与研究,对其加解密过程的集成电路设计方法作了详细的分析,包括体系结构设计和各个模块的设计方法。介绍了反馈工作模式和非反馈工作模式下的几种实现结构:基本结构、循环展开结构、内部流水线结构和外部流水线结构。最后,作者利用Verilog HDL硬件描述语言设计了一个AES加、解密IP模块,并进行了仿真测试和综合验证,从而高速实现了AES算法的硬件加密和解密。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 AES 算法产生的背景和意义
• 1.1.1 密码学简介
• 1.1.2 高级数据加密标准（AES）的发展
• 1.2 AES 算法及硬件实现的研究现状
• 1.2.1 AES 算法的研究现状
• 1.2.2 AES 算法硬件实现的研究现状
• 1.2.3 AES 算法硬件实现存在的问题
• 1.3 论文主要研究内容及成果
• 1.3.1 研究的内容及意义
• 1.3.2 研究的创新点
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 AES 预备知识及其安全性分析
• 2.1 预备知识
• 2.1.1 有限域的定义
• 2.1.2 字节的加、乘运算
• 2.1.3 四字节的加、乘运算
• 2.2 AES 算法的设计原则分析
• 2.2.1 设计考虑
• 2.2.2 针对安全性的设计原则
• 2.2.3 针对实现的设计原则
• 2.3 AES 算法的安全性能分析
• 2.3.1 AES 算法抵抗强力攻击能力分析
• 2.3.2 AES 算法抵抗差分分析和线性密码分析的能力分析
• 2.3.3 AES 算法抵抗渗透攻击能力分析
• 2.3.4 AES 算法抵抗代数计算攻击能力分析
• 2.3.5 AES 算法抵抗XSL 攻击能力分析
• 第三章 AES 算法的详细描述
• 3.1 AES 算法的框架描述
• 3.2 AES 的加密算法
• 3.2.1 状态、密钥和轮数
• 3.2.2 字节代替变换
• 3.2.3 行移位变换
• 3.2.4 列混合变换
• 3.2.5 轮密钥加
• 3.3 AES 算法的密钥调度算法
• 3.3.1 密钥的扩展
• 3.3.2 轮密钥的选取
• 3.4 AES 的解密算法
• 3.4.1 逆行移位变换
• 3.4.2 逆字节代替变换
• 3.4.3 逆列混合变换
• 3.4.4 轮密钥加变换
• 3.5 AES 算法的优点和局限性
• 3.5.1 优点
• 3.5.2 局限性
• 3.6 本章小结
• 第四章 AES 的硬件实现设计分析
• 4.1 开发语言
• 4.1.1 硬件描述语言Verilog HDL 简介
• 4.2 轮变换（THE ROUND TRANSFORMATION）及其硬件实现
• 4.2.1 字节代替变换（BS）及其逆Inv BS
• 4.2.2 行移位变换（SR）及其逆Inv SR
• 4.2.3 列混合变换（MC）及其逆Inv MC
• 4.2.4 密钥扩展
• 4.3 AES 硬件实现的总体设计
• 4.3.1 设计方法的选择
• 4.3.2 开发流程
• 4.3.3 硬件实现的几个性能参数
• 4.4 总体结构的设计分析
• 4.4.1 系统所要实现的任务
• 4.4.2 总体结构的基本构成
• 4.4.3 系统的输入输出设计
• 4.5 各子模块的设计分析
• 4.5.1 接口模块和控制模块
• 4.5.2 算法模块
• 4.5.3 密钥扩展模块
• 第五章 Verilog HDL 实现及其仿真综合
• 5.1 AES 算法 IP 核的 Verilog 文件结构
• 5.2 系统描述及仿真
• 5.2.1 对加、解密单元中的一级流水线结构模块的描述及仿真
• 5.2.2 对密钥扩展模块的描述及仿真
• 5.2.3 对整个系统的描述及仿真验证
• 5.3 系统适配结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
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