實例分析C語言描述AES256 加密算法

　用C 語言描述AES256 加密算法，然后在硬件中加速性能。
　　高級加密標準 （AES） 已經成為很多應用（諸如嵌入式系統(tǒng)中的應用等）中日漸流行的密碼規(guī)范。自從 2002 年美國國家標準技術研究所 （NIST） 將此規(guī)范選為標準規(guī)范以來，處理器、微控制器、FPGA和 SoC 應用的開發(fā)人員就開始利用 AES 來保護輸入、輸出及保存在系統(tǒng)中的數(shù)據。我們可在更高抽象層上非常高效地描述算法，就像用于傳統(tǒng)軟件開發(fā)中那樣；但由于涉及到的操作，該算法在 FPGA中實現(xiàn)起來最為高效。開發(fā)人員甚至可在布線中“免費”獲得一些操作。
　　基于這些原因，AES 是個絕佳的例子，即開發(fā)人員可利用 C 語言描述算法，然后在硬件中加速實現(xiàn)，從而受益于賽靈思 SDSoC ？ 開發(fā)環(huán)境。本文中我們就是要這樣做，首先熟悉一下 AES 算法，然后在賽靈思 Zynq？-7000 All Programmable SoC 的處理系統(tǒng) （PS） 上實現(xiàn) AES256（256 位秘鑰長度）以建立軟件性能基準，然后再在片上可編程邏輯 （PL）中進行加速。為了完全了解可獲得的優(yōu)勢，我們將在 SDSoC 環(huán)境所支持的全部三個操作系統(tǒng)中執(zhí)行這幾個步驟，三個操作系統(tǒng)為：Linux、FreeRTOS 和裸機。
　　
　　算法
　　AES 屬于對稱塊密碼，可采用 128、192 和 256位不同的秘鑰長度。秘鑰長度決定加密或解密數(shù)據所需的處理步驟數(shù)。顧名思義，塊密碼算法采用的是數(shù)據塊。AES 算法一次處理 16 字節(jié)的固定模塊。因此，如果我們密碼內容少于 16 字節(jié)，就必須將未使用的字節(jié)進行填充。
　　由于 AES 是對稱密碼，信息加密和解密都采用相同的做法和秘鑰。相反，非對稱算法（例如RSA）則使用不同秘鑰進行數(shù)據加密和解密。
　　AES 算法中四個階段中每個階段都代表一個狀態(tài)。四個 AES 階段的組合稱為一個循環(huán)。所需循環(huán)的數(shù)量取決于秘鑰長度。
　　很簡單，AES 狀態(tài)起始于我們要加密的 16 個字節(jié)。每個新步驟都會對狀態(tài)進行更新。處理狀態(tài)之前，我們需要將輸入字節(jié)串變?yōu)槌跏紶顟B(tài)，即 4 x 4矩陣（圖 1）。
　　
　　圖 1 — 16 字節(jié)的初始狀態(tài)轉換為 4 x 4 矩陣
　　現(xiàn)在，我們將最初的 16 個字節(jié)重新編排為 4 x4 矩陣形式的初始狀態(tài)，便可研究每個步驟如何操縱它的輸入狀態(tài)。
　　輪密鑰加（AddRoundKey） ： 這是唯一使用加密秘鑰的步驟。我們已經注意到，所需的加密算法循環(huán)的數(shù)量取決于秘鑰長度（128、192 或 256 位）。必須對加密秘鑰進行秘鑰擴展，以確保在每個循環(huán)中不會重新使用秘鑰中的字節(jié)。果然，對于不同的秘鑰長度而言擴展秘鑰長度并不相同。擴展秘鑰長度為：
　　擴展秘鑰長度（字節(jié)）= 16 *（循環(huán) + 1）
　　這個步驟中的操作很簡單。輸入狀態(tài)字節(jié)與擴展秘鑰的 16 個字節(jié)進行異或運算。每個循環(huán)使用擴展秘鑰的不同部分；循環(huán) 0 使用字節(jié) 0 至 15，循環(huán)1 使用字節(jié) 16 至 31，以此類推。對于每個循環(huán)，狀態(tài)的字節(jié) 1 與擴展秘鑰的最低有效字節(jié)進行異或運算，字節(jié) 2 與“最低有效字節(jié)+1”進行異或運算，以此類推。
　　字節(jié)替換 （SubBytes） ： 該步驟利用字節(jié)替換將狀態(tài)值用另一個值替換出去。替換盒中的值是預先設定的，而且輸入位于輸出位之間的關聯(lián)較小。替換盒 （S-box） 是一個 16 x 16 矩陣。我們使用被替代字節(jié)的高四位和低四位作為替代表格中的索引。例如，使用圖 2 中的 S-box 加密，如果第一個初始狀態(tài)字節(jié)為 0 x 69，那么用替代值 0 x F9 代替。狀態(tài)字節(jié)的高四位選擇替代表格的行； 低四位選擇列。注意在圖 2 中，加密和解密使用不同的替換盒，而且盒中內容不同。