CN111934850A - 组纲aes加解密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了组纲AES加解密方法，包括以下步骤：步骤一：将输入的数据排成4×4字节的状态矩阵，然后根据不同的秘钥长度进行Nr加密迭代操作；步骤二：初始秘钥加法，将数据和秘钥模架；步骤三：进行Nr‑1次轮变化处理，其中，每次轮变化由四部分组成，对输入的数据进行S盒置换，对经S盒置换后的数据进行行移位操作；对经行移位操作后的数据进行列混合操作，根据上一轮的子密钥进行轮密钥加操作。本发明中，加密部分和解密部分均在同一FPGA中完成，加密过程和解密过程的执行互不影响，实现并行完成，方便实际使用，在进行实际使用时加密过程和解密过程执行速度快，显著的提高了提高了加密和解密的效率。
Description
技术领域
本发明涉及密码学技术领域，尤其涉及组纲AES加解密方法。
背景技术
密码是通信双方按约定的法则进行信息特殊变换的一种重要保密手段。依照这些法则，变明文为密文，称为加密变换；变密文为明文，称为脱密变换。密码在早期仅对文字或数码进行加、脱密变换，随着通信技术的发展，对语音、图像、数据等都可实施加、脱密变换AES加密算法是密码学中的高级密码标准，由于其具备安全性、稳定性等优点，现已成为对称密钥加密中最流行的算法之一，被广泛的运用于各个安全领域，加密算法的实现，宏观的可分为软件方向和硬件方向，但考虑到软件实现加密算法的安全性和速率的缺陷，人们更加倾向于采用硬件实现加密算法，但是，在现有技术中，AES 加解密方法加解密过程为异步完成，加解密执行速度慢。
发明内容
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：组纲AES加解密方法，包括以下步骤：
步骤一：将输入的数据排成4×4字节的状态矩阵，然后根据不同的秘钥长度进行Nr加密迭代操作；
步骤二：初始秘钥加法，将数据和秘钥模架；
步骤三：进行Nr-1次轮变化处理，其中，每次轮变化由四部分组成，对输入的数据进行S盒置换，对经S盒置换后的数据进行行移位操作；对经行移位操作后的数据进行列混合操作，根据上一轮的子密钥进行轮密钥加操作；
步骤四：对经过Nr-l个轮变换后的状态矩阵进行一个不完全的轮变换，从而完成加密；
步骤五：解密时，对步骤四和步骤三进行逆运算过程完成解密过程，解密过程包括根据S盒逆置换、逆行移位操作、逆列混合操作和轮密钥加。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述加解密由加密模块、解密模块和秘钥扩展模块、以及对整个流程进行控制的控制单元完成，通过控制单元产生各模块所需要的控制信号，秘钥扩展模块完成各轮所需秘钥的产生和调度，通过加密模块、解密模块对数据进行轮变换，加密模块、解密模块的加解密过程均在FPGA中同步完成后，加解密过程执行互不影响，实现并行完成。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述S盒置换操作是针对分组数据里的字节进行的独立操作，是一种非线性变换，其中，S盒置换后具体操作步骤如下：
S1：将每个字节在GF(2^8)有限域上进行取逆元操作，其中“00”的逆元为其本身；
S2：将求得的逆元仍然在GF(2^8)有限域下利用函数ffne进行变换。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述轮秘钥相加变换，主密钥先通过密钥生成方案生成一个与原矩阵结构相同的回合密钥矩阵，然后将原矩阵与该回合密钥矩阵中的每个字节作异或运算，再将计算结果存到新的矩阵中。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述秘钥扩展为：将初始密钥作为扩展密钥K的前Nk个字节，以后的字 w[i]按照式w(i)＝w(i-1)田w(i-N)计算得到，其中，整个加密过程中，产生的总轮密钥位数等于加密循环次数加1再乘以分组长度位数，每一个加密循环中的轮密钥按顺序从.上述扩展密钥中选取，第一轮中的密钥取前4*Nb个字节，第二轮中的密钥取第二个4*Nb个字节。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述初始密钥和每一轮的循环密钥都必须与数据分组长度一致，所以第i 轮的密钥长度与分组长度相等。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述不完全的轮变换包括：字节替换操作、进行行移位操作和轮密钥加操作。
本发明提供了组纲AES加解密方法，具备以下有益效果：
该组纲AES加解密方法的加密部分和解密部分均在同一FPGA中完成，加密过程和解密过程的执行互不影响，实现并行完成，方便实际使用，在进行实际使用时加密过程和解密过程执行速度快，显著的提高了提高了加密和解密的效率。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
组纲AES加解密方法，包括以下步骤：
步骤一：将输入的数据排成4×4字节的状态矩阵，然后根据不同的秘钥长度进行Nr加密迭代操作；
步骤二：初始秘钥加法，将数据和秘钥模架；
步骤三：进行Nr-1次轮变化处理，其中，每次轮变化由四部分组成，对输入的数据进行S盒置换，对经S盒置换后的数据进行行移位操作；对经行移位操作后的数据进行列混合操作，根据上一轮的子密钥进行轮密钥加操作；
步骤四：对经过Nr-l个轮变换后的状态矩阵进行一个不完全的轮变换，从而完成加密；
步骤五：解密时，对步骤四和步骤三进行逆运算过程完成解密过程，解密过程包括根据S盒逆置换、逆行移位操作、逆列混合操作和轮密钥加。
加解密由加密模块、解密模块和秘钥扩展模块、以及对整个流程进行控制的控制单元完成，通过控制单元产生各模块所需要的控制信号，秘钥扩展模块完成各轮所需秘钥的产生和调度，通过加密模块、解密模块对数据进行轮变换，加密模块、解密模块的加解密过程均在FPGA中同步完成后，加解密过程执行互不影响，实现并行完成。
S盒置换操作是针对分组数据里的字节进行的独立操作，是一种非线性变换，其中，S盒置换后具体操作步骤如下：
S1：将每个字节在GF(2^8)有限域上进行取逆元操作，其中“00”的逆元为其本身；
S2：将求得的逆元仍然在GF(2^8)有限域下利用函数ffne进行变换。
行移变换是对字节状态矩阵进行向左循环移位操作，移位的最小单位为- 一个字节，每一横行移位操作的偏移量与AES算法的分组情况有关，但对于所有分组情况的第一横行，都是移动0个字节，即第一横行不移位。
轮秘钥相加变换，主密钥先通过密钥生成方案生成一个与原矩阵结构相同的回合密钥矩阵，然后将原矩阵与该回合密钥矩阵中的每个字节作异或运算，再将计算结果存到新的矩阵中。
秘钥扩展为：将初始密钥作为扩展密钥K的前Nk个字节，以后的字w[i] 按照式w(i)＝w(i-1)田w(i-N)计算得到，其中，整个加密过程中，产生的总轮密钥位数等于加密循环次数加1再乘以分组长度位数，每一个加密循环中的轮密钥按顺序从.上述扩展密钥中选取，第一轮中的密钥取前4*Nb个字节，第二轮中的密钥取第二个4*Nb个字节。
初始密钥和每一轮的循环密钥都必须与数据分组长度一致，所以第i轮的密钥长度与分组长度相等。
不完全的轮变换包括：字节替换操作、进行行移位操作和轮密钥加操作。
该组纲AES加解密方法的加密部分和解密部分均在同一FPGA中完成，加密过程和解密过程的执行互不影响，实现并行完成，方便实际使用，在进行实际使用时加密过程和解密过程执行速度快，显著的提高了提高了加密和解密的效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料过着特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.组纲AES加解密方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将输入的数据排成4×4字节的状态矩阵，然后根据不同的秘钥长度进行Nr加密迭代操作；
步骤二：初始秘钥加法，将数据和秘钥模架；
步骤三：进行Nr-1次轮变化处理，其中，每次轮变化由四部分组成，对输入的数据进行S盒置换，对经S盒置换后的数据进行行移位操作；对经行移位操作后的数据进行列混合操作，根据上一轮的子密钥进行轮密钥加操作；
步骤四：对经过Nr-l个轮变换后的状态矩阵进行一个不完全的轮变换，从而完成加密；
步骤五：解密时，对步骤四和步骤三进行逆运算过程完成解密过程，解密过程包括根据S盒逆置换、逆行移位操作、逆列混合操作和轮密钥加。
2.根据权利要求1所述的组纲AES加解密方法，其特征在于，所述加解密由加密模块、解密模块和秘钥扩展模块、以及对整个流程进行控制的控制单元完成，通过控制单元产生各模块所需要的控制信号，秘钥扩展模块完成各轮所需秘钥的产生和调度，通过加密模块、解密模块对数据进行轮变换，加密模块、解密模块的加解密过程均在FPGA中同步完成后，加解密过程执行互不影响，实现并行完成。
3.根据权利要求1所述的组纲AES加解密方法，其特征在于，所述S盒置换操作是针对分组数据里的字节进行的独立操作，是一种非线性变换，其中，S盒置换后具体操作步骤如下：
S1：将每个字节在GF(2^8)有限域上进行取逆元操作，其中“00”的逆元为其本身；
S2：将求得的逆元仍然在GF(2^8)有限域下利用函数ffne进行变换。
4.根据权利要求1所述的组纲AES加解密方法，其特征在于，所述行移变换是对字节状态矩阵进行向左循环移位操作，移位的最小单位为-一个字节，每一横行移位操作的偏移量与AES算法的分组情况有关，但对于所有分组情况的第一横行，都是移动0个字节，即第一横行不移位。
5.根据权利要求1所述的组纲AES加解密方法，其特征在于，所述轮秘钥相加变换，主密钥先通过密钥生成方案生成一个与原矩阵结构相同的回合密钥矩阵，然后将原矩阵与该回合密钥矩阵中的每个字节作异或运算，再将计算结果存到新的矩阵中。
6.根据权利要求1所述的组纲AES加解密方法，其特征在于，所述秘钥扩展为：将初始密钥作为扩展密钥K的前Nk个字节，以后的字w[i]按照式w(i)＝w(i-1)田w(i-N)计算得到，其中，整个加密过程中，产生的总轮密钥位数等于加密循环次数加1再乘以分组长度位数，每一个加密循环中的轮密钥按顺序从.上述扩展密钥中选取，第一轮中的密钥取前4*Nb个字节，第二轮中的密钥取第二个4*Nb个字节。
7.根据权利要求1所述的组纲AES加解密方法，其特征在于，所述初始密钥和每一轮的循环密钥都必须与数据分组长度一致，所以第i轮的密钥长度与分组长度相等。
8.根据权利要求1所述的组纲AES加解密方法，其特征在于，所述不完全的轮变换包括：字节替换操作、进行行移位操作和轮密钥加操作。
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