專利名稱：一種在智能卡中用串行硬件實現(xiàn)aes算法的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在智能卡中實現(xiàn)AES(高級加密標準)算法的方法，具體地說是一種在智能卡中用串行硬件實現(xiàn)AES算法的方法。
背景技術：
智能化的IC卡是當今世界日新月異發(fā)展的信息化社會中的一顆耀眼的新星，它被公認為世界上最小的個人計算機。智能化IC的概念最初由法國的新聞工作者羅蘭.莫雷諾(Roland Moreno)在1972年首先提出，此后法國布爾(Bull)公司率先投入了對這一潛力無窮的高新技術產品的研究與開發(fā)。1976年，布爾公司的高級研究員于貢(Ugon)先生所領導的研究小組首先研制了世界上第一張由雙晶片(微處理器和存儲器)組成的智能卡，接著又于1978年制成了單晶片智能卡，取得了技術專利。在此后的十幾年間，除了法國的布爾公司之外，世界上先后有Motorola，Thomson，Hitachi，OKI，Toshiba，Sharp，Atmel，Gemplus，Schlumberger，Phillips等十幾家公司相繼投入了智能卡芯片和卡片成品的開發(fā)和生產，形成了一個世界性的新興技術產業(yè)。
智能IC卡是把具有存儲、加密及數據處理能力的芯片鑲嵌于塑料基片中，這種既具有智能性，又便于攜帶的卡片，為現(xiàn)代信息的處理和傳遞提供了一種全新的手段，它一出現(xiàn)就倍受重視。1987年起，國際標準化組織ISO專門為IC制訂了國際標準，ISO/IEC7816-1，2，3，4，5，6。這些標準為IC卡在全世界范圍內的推廣和應用，創(chuàng)造了規(guī)范化的前提和條件。
智能化的IC卡具有突出的3S特點，即Standard(國際標準化)、Smart(靈巧智能化)和Security(安全性)。因而發(fā)展迅速，在金融、通信、交通等眾多領域中后來居上，即使在那些磁卡已經普及應用的范圍也將被取而代之。無怪一些企業(yè)家把IC卡稱作開創(chuàng)市場之卡，也就是說，IC卡不僅改進了現(xiàn)有多種卡的使用方法和功能作用，它還不斷開創(chuàng)出新的應用領域。
現(xiàn)在，智能卡在國內已經被越來越廣泛的應用在如金融、社保、通訊等領域。但是，與此同時，對智能卡的安全性也受到極大關注。要想使今卡工程獲得成功，智能化IC卡得以廣泛流行，就必須解決安全性和可靠性的問題。所謂安全性的實質就是如何確保當事人以外的客體不得介入；而可靠性的實質是如何鑒定當事人的真?zhèn)?，以及所傳遞信息的真?zhèn)魏屯暾?。當前，安全性的保障靠加密，以確保他人不得讀取或竄改所傳遞的信息；可靠性靠數字簽名技術。因此在智能卡的硬件中越來越多的集成了各種加密協(xié)處理器以實現(xiàn)當前廣泛采用了的安全技術，如加密、簽名和鑒別、認證等。
目前使用最廣泛的加密方法都基于1977年被美國標準局(National Bureau of Standards，現(xiàn)在的美國標準與技術協(xié)會，NIST)作為第46號聯(lián)邦信息處理標準而采用的數據加密標準DES。在DES中數據以64bit分組進行加密，密鑰長度為56bit。加密算法經過一系列的步驟把64bit的輸入變換成64bit的輸出，解密過程中使用同樣的步驟和同樣的密鑰。
雖然在目前對稱加密體制中較為流行算法是DES算法，但是DES算法也面臨很大的安全威脅。DES加密算法也有不足之處，普遍的看法是1)S盒子的設計雖然是非線性的，但還不是隨機性的2)由于以前尚無有效的破譯DES的方法，Diffie和Hellman提出對密鑰進行窮舉搜索，鑒于DES互補性使得對密鑰的窮舉搜索量減少了一半。DES的密鑰長度為56位，密鑰空間容量為256，現(xiàn)僅需搜索其1/2，這是一弱點3)DES存在著4個弱密鑰和12個半弱密鑰，應當避免使用4)DES的加密算法是在一維空間中進行的5)DES信息包密文不是時間的函數6)密鑰長度太短7)加密后的密鑰和明文之間的痕跡還應減少鑒于以上原因，美國國家標準和技術協(xié)會建議放棄使用單重DES，而3重DES也只將繼續(xù)被保留若干年。緊跟著，2001年11月美國國家標準和技術協(xié)會通過了AES(Advanced EncryptionStandard)高級加密標準。AES采用Rijndael加密算法，一種對稱的塊加密算法，支持128位、192位、256位的密鑰和128位的數據。針對3種密鑰長度，數據和密鑰需要分別迭代10次、12次、14次，得到最后結果，迭代次數用Nr表示。同時每次迭代的密鑰由輸入的初始密鑰經過運算產生。
Rijndael是一個有10、12、14次迭代的線性變換，其迭代次數依賴于密鑰的長度。一個被Rijndael處理的數據塊被分為一個字節(jié)陣列，每次加密操作就是一個字節(jié)的導向。Rijndael的輪函數分為4層。在第一層，每個字節(jié)用一個8×8 S-box。第二和第三層是線性混合層，陣列行被移位，列被混疊。在第四層，子密鑰字節(jié)是執(zhí)行異或操作到陣列中的每一個字節(jié)的。在最后一輪中，不采用列的混疊。
全方位考慮，Rijndael匯聚了安全、性能、效率，易用和靈活等優(yōu)點，使它成為AES最合適的選擇，尤其是Rijndael在無論有無反饋模式的計算環(huán)境下的硬、軟件中都能顯示出其非常好的性能。它的密鑰安裝時間很好，也具有好的靈敏度。Rijndael的非常低的內存需求也使它很適合用于受限環(huán)境中，在這樣的環(huán)境下它仍可以表現(xiàn)出出色的性能。Rijndael的操作簡單，并可抵御強大和實時的攻擊。此外，它還有許多未被特別強調的防御性能。另外，在提供這些保護的同時也沒有影響Rijndael的性能。從分組長度和密鑰長度的觀點來看，Rijndael設計帶有靈活性，同時這種算法也允許一定循環(huán)次數的修正，但這個特點還需進一步研究，在現(xiàn)在還不被認同。最后要說的，Rijndael內部循環(huán)結構使得它表現(xiàn)出有益于并行水平結構的很好的潛能。
Rijndael在數據塊和密鑰長度的設計上也很靈活，算法可提供不同的迭代次數，雖然這些特征還需更深入的研究，短期內不可能被利用，但最終，Rijndael內在的迭代結構會顯示有好的潛能來防御入侵行為。
AES被開發(fā)用于替代DES，但NIST預測3重DES仍將在未來的一段時間內作為一種實用的算法(如用于美國政府)，而單DES將退出歷史舞臺。
AES將被設計有三個密鑰長度128，192，256bits，在十進制里，這表示1)3.4×1038約為128-bit密鑰2)6.2×1057約為192-bit密鑰3)1×1077約為256-bit密鑰比較一下，AES的128-bit密鑰就比DES的56-bit密鑰強1021倍。
1990年以來，特制的“DES Cracker”的機器可以在幾個小時內找出一個DES密鑰。換句話說，通過測試所有可能的密鑰值，此硬件可以確定用于加密信息的是哪個密鑰。假設一臺一秒內可找出DES密鑰的機器(如，每秒試255個密鑰)，如果用它來找出128-bitAES的密鑰，大約需要149萬億年。
NIST會繼續(xù)檢測此算法的安全性，并將在未來時間內處理可能產生的安全問題。NIST會持續(xù)關注Rijndael的加密分析的發(fā)展，一旦AES成為正式的標準，此標準將會每隔五年重新進行評估，對標準的維護也會持續(xù)下去。
沒人知道AES或其它的加密算法會持續(xù)多久，NIST的數據加密標準(DES)是一個美國政府標準，知道被龐大的并行網絡電腦攻擊和特定的“DES-Cracking”硬件攻克時，它已連續(xù)使用了20年。AES比DES支持更長的密鑰。除非一些對AES的攻擊速度比密鑰耗盡(key exhaustion)還要快，否則AES可保持超過20年之久的安全。
目前在AES算法的實現(xiàn)方法中，大多數是采用軟件方法實現(xiàn)，而硬件實現(xiàn)方法存在硬件開銷大，成本過高等缺點如在AES算法中單次迭代包含數據變換、行移位、列混疊、密鑰運算等操作，而目前的硬件實現(xiàn)方法在一個時鐘周期內完成單次迭代，這樣數據變換和列混疊的硬件開銷很大，約為4萬門左右；同時在AES算法中的每次迭代需要的密鑰生成也是在一個時鐘周期完成，硬件開銷很大，約為1萬門左右；另外在解密過程中，由于密鑰是逆序的，因此所有迭代密鑰需要一次生成，再逆序使用，硬件開銷更大。若要支持全部3種密鑰，硬件實現(xiàn)會將近10萬門，如此則無法在智能卡等對芯片面積有一定要求、限制的場合運用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于在加解密過程中實現(xiàn)了密鑰的串行生成，大大簡化了電路，降低了成本，提高了智能卡芯片的競爭能力。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是一種在智能卡中用串行硬件實現(xiàn)AES算法的方法，包括采用通用的微處理器接口，加解密步驟如下1)初始化數據和密鑰寄存器2)設定密鑰長度3)裝載密鑰4)裝載數據5)設定加密或解密6)啟動加解密其特征在于加密過程進行Nr次的加密迭代，同時進行相應的密鑰串行生成；解密過程分為兩個步驟，先進行密鑰預生成(與加密過程的密鑰串行生成一致)，隨后進行Nr次解密迭代的解密過程，同時進行密鑰串行生成(逆向)；其中，串行處理方法實現(xiàn)單次加密迭代的步驟為1)數據變換2)數據行移位3)數據列混疊4)密鑰運算在第一次迭代前先進行密鑰運算，在最后一次迭代時省略步驟3。
串行處理方法實現(xiàn)單次解密迭代的步驟為1)數據逆變換2)數據行逆移位3)密鑰運算
4)數據列逆混疊在第一次迭代前先進行密鑰運算，在最后一次迭代時省略步驟4。
Nr可以是10、12或14，密鑰串行生成使用8字作為迭代密鑰存儲器，即i＝0，1，2，3，4，5，6，7。
密鑰串行生成的正向公式如下Nr＝10，即密鑰長度為128位KeyNi＝Keyi^Keyi-1^…^Key0^Temp1，i＝0，1，2，3Temp1＝Subword(Rotword(key3))^Rcon；Nr＝12，即密鑰長度為192位KeyNi＝Keyi^Keyi-1^…^Key0^Temp1，i＝0，1，2，3，4，5KeyNi＝KeyNi-1，i＝6，7其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key5))^Rcon；Nr＝14，即密鑰長度為256位KeyNi＝Keyi^Keyi-1^…^Key0^Temp1，i＝0，1，2，3KeyNi＝Keyi^Keyi-1^…^Key4^Temp2，i＝4，5，6，7其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key7)^Rcon，Temp2＝SubWord(Key3^Key2^Key1^Key0^Temp1)；密鑰串行生成的逆向公式如下Nr＝10，即密鑰長度為128位KeyN0＝Key0^Temp1；KeyNi＝KeyNi^KeyNi-1，i＝1，2，3其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key3^Key2))^Rcon；Nr＝12，即密鑰長度為192位KeyN0＝Key0^Temp1；KeyNi＝KeyNi^KeyNi-1，i＝1，2，3，4，5其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key5^Key4)^Rcon；Nr＝14，即密鑰長度為256位KeyNi＝KeyNi^KeyNi-1，i＝1，2，3，5，6，7KeyN4＝Key4^Temp1；KeyN0＝Key0^Temp2；其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key7^Key6))^Rcon，Temp2＝SubWord^(Key6)；密鑰串行生成包含以下步驟1)4個時鐘周期的數據變換，得到Temp1；若密鑰長度不為256位，進入第3步2)4個時鐘周期的數據變換，得到Temp23)1個時鐘周期的密鑰更新，密鑰更新參照密鑰串行生成的公式在Nr＝10時，每次迭代前，均需進行密鑰的串行生成并輸出，在Nr＝12時，即密鑰長度為192位時，每3次迭代需2次的密鑰串行生成，并應合理選擇輸出，在Nr＝14時，即密鑰長度為256位時，每2次迭代需1次的密鑰串行生成，并應合理選擇輸出。
本發(fā)明提供一種在智能卡中用串行硬件實現(xiàn)AES算法的加、解秘方法，大大簡化了電路，降低了成本，提高了智能卡芯片的競爭能力。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述，附

圖1為本發(fā)明的AES串行硬件實現(xiàn)的模塊示意圖，附圖2為本發(fā)明的加密過程示意圖，附圖3為本發(fā)明的解密過程示意圖，附圖4為本發(fā)明的加密過程單次迭代串行實現(xiàn)示意圖，附圖5為本發(fā)明的密鑰串行生成示意圖，附圖6為本發(fā)明的密鑰生成算法(128位)流程示意圖，附圖7為本發(fā)明的密鑰串行生成的硬件連接示意圖，附圖8為本發(fā)明的控制模塊的狀態(tài)轉移示意圖，本發(fā)明為一種在智能卡中用串行硬件實現(xiàn)AES算法的方法，包括采用通用的微處理器接口，加解密步驟如下1)初始化數據和密鑰寄存器2)設定密鑰長度3)裝載密鑰4)裝載數據5)設定加密或解密6)啟動加解密其主要特征在于加密過程進行Nr次的加密迭代，同時進行相應的密鑰串行生成，如圖2所示；解密過程分為兩個步驟，先進行密鑰預生成(與加密過程的密鑰串行生成一致)，隨后進行Nr次解密迭代的解密過程，同時進行密鑰串行生成(逆向)，如圖3所示；其中，串行處理方法實現(xiàn)單次加密迭代的步驟(以128位為例)如圖4所示1)128位的數據經過16個時鐘周期的數據變換2)數據經過1個時鐘周期的行移位3)數據經過4個周期的列混疊4)數據經過1個時鐘周期的密鑰運算在第一次迭代前先進行密鑰運算，在最后一次迭代時省略步驟3；串行處理方法實現(xiàn)單次解密迭代的步驟為1)128位的數據經過16個時鐘周期的數據逆變換2)數據經過1個時鐘周期的行逆移位
3)數據經過1個時鐘周期的密鑰運算4)數據經過4個周期的列逆混疊在第一次迭代前先進行密鑰運算，在最后一次迭代時省略步驟4；加密迭代次數Nr可以是10、12或14，密鑰串行生成使用8字作為迭代密鑰存儲器，密鑰串行生成的正向公式如下Nr＝10，即密鑰長度為128位KeyNi＝Keyi^Keyi-1^…^Key0^Temp1，i＝0，1，2，3Temp1＝Subword(Rotword(key3))^Rcon；Nr＝12，即密鑰長度為192位KeyNi＝Keyi^Keyi-1^…^Key0^Temp1，i＝0，1，2，3，4，5KeyNi＝KeyNi-1，i＝6，7其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key5))^Rcon；Nr＝14，即密鑰長度為256位KeyNi＝Keyi^Keyi-1^…^Key0^Temp1，i＝0，1，2，3KeyNi＝Keyi^Keyi-1^…^Key4^Temp2，i＝4，5，6，7其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key7)^Rcon，Temp2＝SubWord(Key3^Key2^Key1^Key0^Temp1)；密鑰串行生成的逆向公式如下Nr＝10，即密鑰長度為128位KeyN0＝Key0^Temp1；KeyNi＝KeyNi^KeyNi-1，i＝1，2，3其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key3^Key2)^Rcon；Nr＝12，即密鑰長度為192位KeyN0＝Key0^Temp1；KeyNi＝KeyNi^KeyNi-1，i＝1，2，3，4，5其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key5^Key4))^Rcon；Nr＝14，即密鑰長度為256位KeyNi＝KeyNi^KeyNi-1，i＝1，2，3，5，6，7KeyN4＝Key4^Temp1；KeyN0＝Key0^Temp2；其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key7^Key6)^Rcon，Temp2＝SubWord^(Key6)；密鑰串行生成如圖5所示，包含以下步驟1)4個時鐘周期的數據變換，得到Temp1；若密鑰長度不為256位，進入第3步2)4個時鐘周期的數據變換，得到Temp23)1個時鐘周期的密鑰更新，密鑰更新參照密鑰串行生成的公式AES算法輸入的密鑰長度可為4/6/8字。對應地，需要經過10/12/14次的迭代，每一次迭代需要4字的密鑰，共需產生44/52/60字的密鑰。以密鑰長度為128位為例，其中Nk＝4，表示密鑰字長；Nr＝10，表示迭代次數；Nb＝4，表示迭代過程中的塊大小。AES算法采用加密密鑰K執(zhí)行密鑰生成程序以產生一張密鑰列表。密鑰生成程序共產生Nb(Nr+1)個字算法需要一組由Nb個字組成的初始密鑰，而且在Nr次迭代過程中每一次均需要由Nb個字組成的密鑰數據。由此產生的密鑰列表包含一個長度為4字的線性矩陣，用[wi]，其中，0≤i≤Nb(Nr+1)。密鑰生成程序流程如圖6所示，首先擴展密鑰的前Nk個字由加密密鑰K填充。每一個緊接著的字w[i]都等于前一個字w[i-1]和Nk個以前的字w[i-Nk]的異或。對于那些從順序上來說是Nk倍數的字，在異或之前要對w[i-1]進行一次變換，然后才與迭代常數矩陣Rcon[i]進行異或。這個變換包含一個在字中以字節(jié)方式進行的循環(huán)移位RotWord()；及一個四字節(jié)查表SubWord()。當迭代次數Nr＝10，即密鑰長度為128位時Key0＜＝Key0^(Temp^Rcon)；Key1＜＝Key1^Key0^(Temp^Rcon)；Key2＜＝Key2^Key1^Key0^(Temp^Rcon)；Key3＜＝Key3^Key2^Key1^Key0^(Temp^Rcon)；其中Temp＝Subword(Rotword(key3))。
密鑰輸入、輸出形式為KEY＝{Key0，Key1，Key2，Key3}。
由于迭代運算的密鑰長度僅需128位，因此在Nr＝10時，每次迭代前，均需進行密鑰的串行生成并輸出；在Nr＝12時，每3次迭代需2次的密鑰串行生成，并應合理選擇輸出；在Nr＝14時，每2次迭代需1次的密鑰串行生成，并應合理選擇輸出。
為了便于與微處理器接口，設置了控制寄存器、狀態(tài)寄存器、數據寄存器等通用寄存器，利用通用寄存器實現(xiàn)加解密步驟如下1)初始化數據和密鑰寄存器2)設定密鑰長度3)裝載密鑰4)裝載數據5)設定加密或解密6)啟動加解密讀取狀態(tài)寄存器可以判斷操作是否結束；在操作結束后可以讀取結果。
密鑰串行生成的實現(xiàn)電路如圖7所示，當前的迭代密鑰是由上一次迭代密鑰與控制模塊運算后串行地生成。
圖8為本發(fā)明的控制模塊的狀態(tài)轉移示意圖，左半部分詳細描述了串行實現(xiàn)單次加解密迭代過程的步驟，右半部分則是對應加解密迭代的密鑰串行生成的步驟。
綜上所述，通過設置控制寄存器、狀態(tài)寄存器、數據寄存器等通用寄存器與微處理器接口，完成裝載密鑰、數據并確定加、解密方式；啟動加解密后進入AES算法的加、解密過程，經過Nr次的串行迭代過程，以及對應的密鑰串行生成過程，得到最后的加解密的數據。完成了在智能卡中的以串行硬件的方式實現(xiàn)AES算法。
權利要求
1.一種在智能卡中用串行硬件實現(xiàn)AES算法的方法，包括采用通用的微處理器接口，加解密步驟如下1)初始化數據和密鑰寄存器2)設定密鑰長度3)裝載密鑰4)裝載數據5)設定加密或解密6)啟動加解密其特征在于加密過程進行Nr次的加密迭代，同時進行相應的密鑰串行生成；解密過程分為兩個步驟，先進行密鑰預生成，隨后進行Nr次解密迭代的解密過程，同時進行密鑰串行逆向生成。其中，串行處理方法實現(xiàn)單次加密迭代的步驟為1)數據變換2)數據行移位3)數據列混疊4)密鑰運算在第一次迭代前先進行密鑰運算，在最后一次迭代時省略步驟3。串行處理方法實現(xiàn)單次解密迭代的步驟為1)數據逆變換2)數據行逆移位3)密鑰運算4)數據列逆混疊在第一次迭代前先進行密鑰運算，在最后一次迭代時省略步驟4。迭代次數Nr可以是10、12或14，密鑰串行生成使用8字作為迭代密鑰存儲器，即i＝0，1，2，3，4，5，6，7。密鑰串行生成的正向公式如下Nr＝10，即密鑰長度為128位KeyNi＝Keyi^Keyi-1^…^Key0^Temp1，i＝0，1，2，3Temp1＝Subword(Rotword(key3))^Rcon；Nr＝12，即密鑰長度為192位KeyNi＝Keyi^Keyi-1^…^Key0^Temp1，i＝0，1，2，3，4，5KeyNi＝KeyNi-1，i＝6，7其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key5))^Rcon；Nr＝14，即密鑰長度為256位KeyNi＝Keyi^Keyi-1^…^Key0^Temp1，i＝0，1，2，3KeyNi＝Keyi^Keyi-1^…^Key4^Temp2，i＝4，5，6，7其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key7))^Rcon，Temp2＝SubWord(Key3^Key2^Key1^Key0^Temp1)；密鑰串行生成的逆向公式如下Nr＝10，即密鑰長度為128位KeyN0＝Key0^Temp1；KeyNi＝KeyNi^KeyNi-1，i＝1，2，3其中Temp 1＝SubWord(RotWord(Key3^Key2))^Rcon；Nr＝12，即密鑰長度為192位KeyN0＝Key0^Temp1；KeyNi＝KeyNi^KeyNi-1，i＝1，2，3，4，5其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key5^Key4))^Rcon；Nr＝14，即密鑰長度為256位KeyNi＝KeyNi^KeyNi-1，i＝1，2，3，5，6，7KeyN4＝Key4^Temp1；KeyN0＝Key0^Temp2；其中Temp1＝SubWord(RotWord(Key7^Key6))^Rcon，Temp2＝SubWord^(Key6)；
2.根據權利要求1所述的一種在智能卡中用串行硬件實現(xiàn)AES算法的方法，其特征在于密鑰串行生成包含以下步驟1)4個時鐘周期的數據變換，得到Temp1；若密鑰長度不為256位，進入第3步2)4個時鐘周期的數據變換，得到Temp23)1個時鐘周期的密鑰更新，密鑰更新參照密鑰串行生成的公式
3.根據權利要求1、2所述的一種在智能卡中用串行硬件實現(xiàn)AES算法的方法，其特征在于在Nr＝10時，每次迭代前，均需進行密鑰的串行生成并輸出，在Nr＝12時，即密鑰長度為192位時，每3次迭代需2次的密鑰串行生成，并應合理選擇輸出，在Nr＝14時，即密鑰長度為256位時，每2次迭代需1次的密鑰串行生成，并應合理選擇輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在智能卡中用串行硬件實現(xiàn)AES算法的方法，其特征在于設置了控制寄存器、狀態(tài)寄存器、數據寄存器等通用寄存器與微處理器接口，支持全部3種密鑰128位、192位、256位，對單次加解密迭代采用了串行結構，并且在加解密過程中實現(xiàn)了密鑰的串行生成，大大簡化了電路，降低了成本，提高了智能卡芯片的競爭能力。
文檔編號G06K19/07GK1549105SQ03116888
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月13日 優(yōu)先權日2003年5月13日
發(fā)明者郭俊, 全佳, 印義言, 郭 俊 申請人:上海華園微電子技術有限公司