實例分析C語言描述AES256 加密算法
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標簽：C語言(117708)
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（諸如嵌入式系統中的應用等）中日漸流行的密碼規范。自從 2002 年美國國家標準技術研究所 （NIST） 將此規范選為標準規范以來，處理器、微控制器、FPGA和 SoC 應用的開發人員就開始利用 AES 來保護輸入、輸出及保存在系統中的數據。我們可在更高抽象層上非常高效地描述算法，就像用于傳統軟件開發中那樣；但由于涉及到的操作，該算法在 FPGA中實現起來最為高效。開發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，即開發人員可利用 C 語言描述算法，然后在硬件中加速實現，從而受益于賽靈思 SDSoC ？ 開發環境。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 （PS） 上實現 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勢，我們將在 SDSoC 環境所支持的全部三個操作系統中執行這幾個步驟，三個操作系統為：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據所需的處理步驟數。顧名思義，塊密碼算法采用的是數據塊。AES 算法一次處理 16 字節的固定模塊。因此，如果我們密碼內容少于 16 字節，就必須將未使用的字節進行填充。
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。四個 AES 階段的組合稱為一個循環。所需循環的數量取決于秘鑰長度。
很簡單，AES 狀態起始于我們要加密的 16 個字節。每個新步驟都會對狀態進行更新。處理狀態之前，我們需要將輸入字節串變為初始狀態，即 4 x 4矩陣（圖 1）。
圖 1 — 16 字節的初始狀態轉換為 4 x 4 矩陣
現在，我們將最初的 16 個字節重新編排為 4 x4 矩陣形式的初始狀態，便可研究每個步驟如何操縱它的輸入狀態。
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的數量取決于秘鑰長度（128、192 或 256 位）。必須對加密秘鑰進行秘鑰擴展，以確保在每個循環中不會重新使用秘鑰中的字節。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）= 16 *（循環 + 1）
這個步驟中的操作很簡單。輸入狀態字節與擴展秘鑰的 16 個字節進行異或運算。每個循環使用擴展秘鑰的不同部分；循環 0 使用字節 0 至 15，循環1 使用字節 16 至 31，以此類推。對于每個循環，狀態的字節 1 與擴展秘鑰的最低有效字節進行異或運算，字節 2 與“最低有效字節+1”進行異或運算，以此類推。
字節替換 （SubBytes） ： 該步驟利用字節替換將狀態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較小。替換盒 （S-box） 是一個 16 x 16 矩陣。我們使用被替代字節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字節為 0 x 69，那么用替代值 0 x F9 代替。狀態字節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。
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