電子科學(xué)與技術(shù)開(kāi)題報告范文
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題 目：AES(高級數據加密標準) 加解密電路的設計
一. 課題的來(lái)源、目的、意義。國內外基本研究情況。
1.1課題的來(lái)源、目的、意義。
AES簡(jiǎn)介：
1977年1月數據加密標準DES(Data Encryption Standard)正式向社會(huì )公布，它是世界上第一個(gè)公認的實(shí)用分組密碼算法標準。但DES在經(jīng)過(guò)20年的實(shí)踐應用后，現在已被認為是不可靠的。1997年1月2日美國國家標準和技術(shù)研究所(NIST)
發(fā)布了高級加密標準(AES-FIPS)的研發(fā)計劃，并于同年9月12日正式發(fā)布了征集候選算法公告"', NIST希望確定一種保護敏感信息的公開(kāi)、免費并且全球通用的算法作為AES，以代替DES。在征集公告中，NIST對算法的基本要求是:算法必須是私鑰體制的分組密碼，支持128位分組長(cháng)度和129, 192, 256bits密鑰長(cháng)度。經(jīng)過(guò)三輪遴選，Rijndael最終勝出。2001年11月26日聯(lián)邦信息處理標準出版社發(fā)布了正式的AES標準即FIPS PUBS 197，其中制定的標準生效時(shí)間為2002年5月26日。Rijndael 算法是一種可變分組長(cháng)度和密鑰長(cháng)度的迭代型分組密碼，它的分組長(cháng)度和密鑰長(cháng)度均可獨立地指定為128bits, 192bits, 256bits，它以其安全性和多方面的優(yōu)良性能，成為AES的最佳選擇。Rijndael算法能抵抗現在的所有己知密碼攻擊，它在廣泛的計算環(huán)境中的硬件和軟件實(shí)現性能都表現得非常優(yōu)秀，它的密鑰建立時(shí)間極短且靈活性強，它極低的內存要求使其非常適合在存儲器受限的環(huán)境中使用，并且表現出很好的性能。
課題來(lái)源：
本課題來(lái)源于國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃“低成本，低功耗，高安全性無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)芯片設計”(2006AA01Z226)
湖北省自然科學(xué)基金資助項目“微傳感器系統SOC集成技術(shù)研究”(2006ABA080)
華中科技大學(xué)校基金重點(diǎn)資助項目“信息安全片上系統(SOC)的防護機制研究”(2006Z011B);
課題目的：
隨著(zhù)計算機應用范圍的不斷擴大，特別是在Internet高速發(fā)展的今天，如何保障計算機用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )所傳遞的數據的私密性，如何保障涉密信息能夠安全的利用計算機來(lái)進(jìn)行處理等計算機和網(wǎng)絡(luò )應用中信息安全的問(wèn)題日益引起人們的關(guān)注。隨著(zhù)Internet的不斷發(fā)展，基于Internet的應用的領(lǐng)域和深度與日俱增，電子商務(wù)，電子政務(wù)等與人們日常生活和工作息息相關(guān)的Internet應用也正越來(lái)越為人們所接受。當人們在享受這些應用帶來(lái)的高效和便捷的同時(shí)，也時(shí)刻面臨著(zhù)各式各樣的信息安全問(wèn)題，而這些問(wèn)題也正成為當前影響Internet應用繼續發(fā)展的瓶頸。利用數據加密算法，尤其是新的高級數據加密標準AES，對數據進(jìn)行加密來(lái)保障信息傳輸與存儲的安全性已經(jīng)被證明是行之有效的。因而，研究數據加密算法的實(shí)現與加解密電路的設計對于解決Internet應用中的各項安全問(wèn)題就有著(zhù)很重要的作用。
本課題的目的旨在通過(guò)仔細研究和分析高級加密標準AES，在此基礎上對AES算法的ASIC結構進(jìn)行優(yōu)化，設計出密碼芯片。同時(shí)在設計中學(xué)習大規模集成電路的設計方法和設計流程，一些仿真，綜合軟件的應用，VHDL語(yǔ)言的編寫(xiě)，為以后的工作和進(jìn)一步學(xué)習打下堅實(shí)的基礎。
課題意義：
隨著(zhù)Internet的快速發(fā)展，基于Internet的各種應用也日益增長(cháng)。但是，由于Internet是一個(gè)極度開(kāi)放的環(huán)境，任何人都可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)接入Internet獲取所需的信息，這也使得在Internet上信息傳輸及存儲的安全問(wèn)題成為影響Internet應用發(fā)展的重要因素。信息安全技術(shù)也就成為了人們研究Internet應用的新熱點(diǎn)。信息安全的研究包括密碼理論與技術(shù)、安全協(xié)議與技術(shù)、安全體系結構理論、信息對抗理論與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )安全與安全產(chǎn)品等領(lǐng)域，其中密碼算法的理論與實(shí)現研究是信息安全研究的基礎。而確保數據加密算法實(shí)現的可靠性和安全性對于算法理論應用到各種安全產(chǎn)品中起到了至關(guān)重要的作用。AES產(chǎn)品取代DES產(chǎn)品己是必然.對AES的實(shí)現和應用進(jìn)行探討和研究就具有較大的理論和現實(shí)意義。
1.2 國內外基本研究情況
目前AES算法的理論研究主要集中在設計原理、安全性能分析和統計性能分析上。
對于設計原理，主要研究算法設計遵循的原則和整體結構。AES算法所遵循的是安全性和實(shí)現性原則，在整體結構上采用的是SP網(wǎng)絡(luò )結構。對于安全性能，主要研究AES算法抵抗現有已知密碼攻擊的能力。當前主要攻擊手段有:強力攻擊、差分密碼分析，線(xiàn)性密碼分析，Square攻擊和插值攻擊等。目前密碼分析又有了新的進(jìn)展，積分分析、功耗分析和代數攻擊成為新的研究方向。對于統計性能，主要研究算法隨機化數據的能力，目前國內外研究都比較少。
AES 密碼算法通常用軟件或硬件實(shí)現。軟件實(shí)現易受使用條件限制，而且易受到破壞，影響數據傳輸質(zhì)量。硬件實(shí)現是用專(zhuān)用芯片實(shí)現密碼算法，通過(guò)芯片對數據進(jìn)行加密。密碼專(zhuān)用芯片是實(shí)現信息安全與保密的基礎核心產(chǎn)品，具有高保密性，高加密速率，高可靠性，體積小，重量輕，易于實(shí)現復雜功能，易于嵌入，總體成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此AES 密碼芯片在無(wú)線(xiàn)通信和Internet 應用有著(zhù)廣闊的市場(chǎng)前景。
自從AES 公布以來(lái)，全世界各地提出了許多AES 核心算法的實(shí)現方法，但它們大多基于軟件的實(shí)現。軟件PC實(shí)現主要是用高級語(yǔ)言實(shí)現算法，并測試不同工作模式下的性能，商用的軟件加密產(chǎn)品還未見(jiàn)到。對于硬件實(shí)現，國外一些機構和大學(xué)推出了供測試的AES核(core)，如美國GMU,NSA, Helion技術(shù)有限公司等大學(xué)和機構。他們提供的AES核大都支持NIST所要求的三種密鑰長(cháng)度，具有較快的加、解密速度。
二. 預計達到的目標、關(guān)鍵理論和技術(shù)、技術(shù)指標、完成課題的方案和主要措施。
2.1預期達到的目標
設計一個(gè)AES加解密電路，并進(jìn)行仿真調試，使其功能驗證正確，并優(yōu)化電路性能;
1.熟悉IC設計的流程以及仿真工具的使用;
2.對設計的加密電路進(jìn)行仿真，功能驗證;
3.能夠從面積、速度等方面優(yōu)化電路設計;
2.2關(guān)鍵理論和技術(shù)
由于A(yíng)ES 分組密碼算法的加密和解密是不對稱(chēng)的，所以在硬件的設計過(guò)程中，盡量復用運算功能相同的單元，減小了芯片的面積;關(guān)掉處于空閑狀態(tài)模塊的時(shí)鐘，降低了功耗;提前計算輪密鑰并采用流水線(xiàn)結構，既降低了控制模塊的復雜性又提高了芯片的吞吐量。
具體包括：
1. 在字節替換模塊實(shí)現中，提出了一種模塊復用技術(shù)，該技術(shù)使用同一模塊實(shí)現加密和解密過(guò)程中不同的S-BOX 非線(xiàn)性求逆運算，從而節約了大量的硬件資源;
2. 在常規輪變換中，提出了一種密鑰加法和列混合變換集成化的硬件結構設計，通過(guò)一定的條件選擇，使得同一個(gè)模塊可以實(shí)現加密和解密中的線(xiàn)性，變換既消除了加解密硬件結構的不同又節約了大量的硬件資源;
3. 采用流水線(xiàn)結構，固定的密鑰長(cháng)度，減少了控制模塊的復雜性，使加解密速度相同提高了芯片加解密數據的吞吐速率;
4. 采用門(mén)控時(shí)鐘技術(shù)以降低芯片的功耗。密鑰生成時(shí)關(guān)掉處于空閑狀態(tài)的加解密核的時(shí)鐘，加解密時(shí)關(guān)掉處于空閑狀態(tài)密鑰生成模塊的時(shí)鐘，降低了芯片的功耗。
2.3技術(shù)指標
要使最后設計的加密電路面積盡量小，速度盡量快，另外，也要滿(mǎn)足高吞吐量的要求。
2.4完成課題的方案和主要措施
本課題中要實(shí)現基于A(yíng)ES的硬件結構的設計與仿真，預備以以下方案步驟實(shí)施：
1. S 盒子的設計與仿真
2. 列混合變換和密鑰加法的組合模快的設計與仿真
3. 輪密鑰的產(chǎn)生模塊的設計與仿真
4. 對整體AES 芯片的邏輯綜合物理設計仿真與分析
主要措施：
1.對于 SubBytes()和InvSubBytes()的設計，復用加解密中不同的兩個(gè)S-BOX 的求逆模塊，以實(shí)現加解密時(shí)的字節替換功能。在輪結構中集成四塊字節替換模塊，實(shí)現一個(gè)字的替換。
2.對于A(yíng)ddRoundkey 和Inv MixColumns 的設計，在常規輪中把加解密時(shí)的密鑰加與列混合變換集成在同一模塊，通過(guò)加解密信號的選擇實(shí)現了加解密的功能，這樣就可以消除加解密硬件結構的差異，同時(shí)也簡(jiǎn)化了解密時(shí)輪密鑰處理的復雜性。
3.采用流水線(xiàn)結構，數據加解密是本設計的主要模塊，為了提高其數據吞吐速率，采用流水線(xiàn)結構，可以大大的提高芯片的吞吐量。
4.采用門(mén)控時(shí)鐘技術(shù)，密鑰生成與加解密操作分時(shí)進(jìn)行，降低芯片的功耗，增加了穩定性。
三. 課題研究進(jìn)展計劃。
3月5日 ——3月17日：查找資料;
3月18日——3月31日：翻譯英文文獻;
4月1日 ——5月19日：畢業(yè)設計主要工作;
5月20日——6月8日 ：撰寫(xiě)論文;
6月13日：答辯。
四.參考文獻
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