面向空间应用的AES算法在FPGA上的实现

摘要：随着国际空间任务的交叉合作以及互联网在空间任务中的应用,空间数据安全性受到威胁,空间数据的加密日益受到设计人员的重视。CCSDS于2004年推荐AES算法作为空间数据系统的加密标准。本文根据高速数据处理的实际需求,采用了在FPGA上实现AES算法的数据加密方案,仿真结果表明,AES是一种优选的加密算法,能够满足高保密性、加密速率快、硬件资源占用少等任务要求。

1. 引言

随着国际空间任务交叉合作增加，应用地面公共数据网络进行空间任务控制和数据监 测越来越多，空间飞行器迫切需要数据安全保护机制[1]。随着计算机技术的迅速发展，原 来卫星（如SPOT 卫星）上使用的DES 加密算法已能够被穷举法破译。为此，美国国家标准 和技术协会（NIST）于2000 年10 月2 日宣布采用Rijndael 作为下一代先进加密标准（AES） 的正式算法[2]。2004 年，CCSDS（国际空间数据系统咨询委员会）建议将AES 作为空间 数据加密算法标准[3][4]。目前，AES 加密算法已在NASA、FBI、CCSDS 等机构得到广泛 应用。

随着我国空间技术的快速发展，未来需要考虑空间数据安全性设计。传统的星上加密 需要一个专门的装置，占用的体积、功耗等资源均较大。AES 算法适用于软硬件资源有限 的应用中，同时与软件加密相比，采用FPGA 进行物理加密具有很好的防攻击性，实时性好， 可实现高速数据处理，资源占用非常小，是空间数据加密的重要发展方向。

本文对AES 算法进行了研究，并在一片FPGA 上进行了仿真分析，确定了适合空间应 用的AES 算法。

2. AES 加密算法及优化实现

2.1. AES 加密算法

AES 是一种可变密钥长度的迭代分组加密算法，明文被分成以128bit 为一块进行加密， 密钥长度可分别为128bit、192bit、256bit。

AES 加密算法包括密钥扩展过程和加密过程。加密过程又包括一个作为初始轮的初始密钥加法(AddRoundKey)，接着进行若干次轮变换(Round)，最后再使用一个轮变换(FinalRound)，如图2.1.1 所示。

明文可以表示为4*4B 的状态矩阵，加密的每一轮是对状态矩阵进行操作，得到中间结 果状态矩阵。初始变换指的是状态矩阵中每一列与初始密钥进行加运算。轮变换的每一轮 包括字节替换（SubBytes）、行移位（Shiftrows）、列混合（Mixcolumns）、轮密钥加 （AddRoundKey）。最后一轮变换不包括列混合（Mixcolumns）。经过最后一轮变换，中间状 态矩阵将输出4*4B 的密文。

密钥扩展是对给定初始密钥进行运算，得到每个轮变换的轮密钥。主要包括三步：字 替换（Subword）、周期置换（Rotword）、圈常数字序列加运算[2]。AES-128 与AES-192 密 钥扩展的每一轮都包括三个步骤，对于AES-256，并不是每一轮都包括三个步骤，当密钥 替换循环次数小于Nb*(Nr+1)（Nb 数据块长度、Nr 圈数），同时循环次数对Nk（密钥长度） 取模的结果为4 时，只进行字替换（Subword）。

表 2.1.1 给出了三种AES 加密的明文块长度，密钥长度，加密轮变换次数之间的关系。

2.2. AES 算法优化实现

2.2.1. 字节替换（SubBytes）

SubBytes 主要通过两步来完成，一步是在GF（28）中取乘法逆，另外一步是通过特别 定义的GF(2)上的仿射作用。为了避免复杂的乘法运算，在FPGA 上具体实现时，构造了 16*16B 的置换表，通过查表完成了字节替换，节省了运算时间。

2.2.2. 行移变换（shiftrows）

ShiftRows 与列混合运算相互影响，在多轮变换后，使密码信息达到充分的混乱。行变 换是在状态的每个行间进行的，是状态中的行按不同的偏移量进行循环左移运算[10]。通过 对每个字节的行移位实现该变换。

2.2.3. 列混合（MixColumns）

假设列混合运算输入为a,输出为b,加密的列混合运算可做如下表示：

式2.1 所示的矩阵运算是伽罗华域上常数乘法运算。伽罗华域上乘以任何常数的乘法 都可以通过反复的乘以02 和异或运算来实现[5]。将GF(28)域中的每一个元素与02 的乘积 存储在一张16*16 B 查找表中，通过异或运算和查表即可实现列混合运算。

2.2.4. 密钥加法(AddRoundKey)

AddRoundKey 是将轮密钥中的各个字节与状态中的各个字节进行逐位异或运算，实现 密码和密钥的混合[10]。轮密钥是由初始密钥通过密钥扩展得到的。

2.2.5. 密钥扩展（KeyExpansion）

初始密钥和扩展后的整个密钥表可以看作是一个字(word)序列。密钥扩展是针对字进 行的，为此又引入了两个对字进行处理的函数：字替代(Subword)和字旋转(RotWord)。字 旋转将字的4 个字节循环右移一个单位。密钥扩展还包括引入轮常数Rcon。字替换和引入 轮常数均可使用查表法完成。字旋转可以用简单的交换字的顺序实现。

在FPGA 的实现过程中，若不进行上述诸如查表法的优化，将会造成资源占用过度，运 行速率低下的情况。 3. AES 算法实现与仿真

3.1. AES 算法实现方案

图3.1 为AES 加密算法实现框图，其中明文有效标志和密钥有效标志输入给控制模块， 初始密钥送给密钥扩展模块，明文输入到初始变换模块。控制模块输出加密完成标志，最 终变换模块输出密文[7]。其中粗箭头为数据线，细箭头为控制线。为满足加密过程的时序 要求，控制模块对输入的明文有效信号及密钥有效信号进行控制。密钥扩展模块在不同轮 数下产生的扩展密钥分别送给初始变换模块，轮变换模块以及最终变换模块。初始变换模 块对明文加了初始轮密钥；轮变换模块进行了四个变换步骤。最终变换模块与轮变换模块 不同在于没有进行混合列操作。

3.2. 仿真结果

本设计采用VHDL 语言，在Xilinx 公司的一款FPGA 上实现了AES 算法。分别对AES-128、 AES-192、AES-256 加密算法实现进行仿真，在FPGA 资源占用率、数据处理速率等方面进 行了对比分析。

（1） 仿真结果

图3.2.1、3.2.2、3.2.3 分别是AES-256、AES-192、AES-128 的FPGA 实现仿真结果， 从图中可以看出AES-256 可以在15 个时钟周期内完成，AES-192 可以在13 个周期实现加 密算法，AES-128 可以在12 个时钟周期内实现加密算法。

（2） 性能分析

在Xilinx 公司的一款X2V 系列FPGA 上所占用的资源情况对比如表3.1.1。

根据密码学理论，密钥长度越长，其安全性能越好。AES-256 占用硬件资源较AES-128、 AES-192 多，但AES-256 可以提供最好的安全性。三种加密算法占用的资源数相当，数据 吞吐率随着密钥长度加长而变小。

4. 结论

本文对AES 算法进行了研究，提出了面向空间应用的AES 算法的FPGA 实现方案。通过 仿真分析，表明利用FPGA 进行AES 进行数据加密具有占用硬件资源较少，数据吞吐率高， 安全性好的特点，门数在10 万左右的小型FPGA 即可实现该算法。考虑到安全性，在实际 应用中，AES-256 算法是最适合的。