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[導讀]摘要 AES-Rijndael算法是美國取代DES的新一代分組加密算法標準,也是事實上的國際標準。本文在可重構(gòu)平臺上針對 128位密鑰長度AES算法的流水線性能優(yōu)化技術(shù)進行了研究,通過對基本運算優(yōu)化、循環(huán)展開、輪內(nèi)流水線、輪

摘要 AES-Rijndael算法是美國取代DES的新一代分組加密算法標準,也是事實上的國際標準。本文在可重構(gòu)平臺上針對 128位密鑰長度AES算法的流水線性能優(yōu)化技術(shù)進行了研究,通過對基本運算優(yōu)化、循環(huán)展開、輪內(nèi)流水線、輪間流水線、混合多級流水線結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法的討論和實現(xiàn),對比不同優(yōu)化方法的優(yōu)缺點及適用環(huán)境。實驗表明,不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計,其加密性能存在很大差異。其中,混合多級流水線結(jié)構(gòu)的加密性能達到27.1 Gb/s的速率,為目前國內(nèi)外相關(guān)研究的較好結(jié)果。
關(guān)鍵詞 高級加密標準 可重構(gòu)計算 流水線 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 AES-Rijndael算法


1 AES-RijndaeI算法總體結(jié)構(gòu)
    AES-Rijndael算法是一個替換一置換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分組密碼算法。它的設(shè)計基于有限域上的多項式運算,密碼算法的主體結(jié)構(gòu)由4部分組成:SubBytes,進行S-盒非線性變換;ShiftRows,狀態(tài)矩陣的水平置換;MixCol-umns,執(zhí)行有限域GF(28)上的矩陣乘運算;AddRoundK-eys,通過簡單異或運算使子密鑰與狀態(tài)矩陣發(fā)生聯(lián)系。算法經(jīng)過Nr輪變換,將一個128位明文分組加密成為一個128位的密文分組。這里Nr是一個與密鑰長度相關(guān)的常數(shù)。對于128位密鑰的情況,Nr的值為 10。除了最后一輪外,其他每一輪加密過程都相同。最后一輪加密中省去了 MixColumns變換,以抵抗某些特殊密碼分析。

2 循環(huán)展開和流水線優(yōu)化
    對于前述AES加密過程的實現(xiàn),如圖1(a)所示,我們針對可重構(gòu)平臺下4個變換函數(shù)的實現(xiàn)方法進行了優(yōu)化,優(yōu)化后的加密過程時鐘頻率達到了127.9 MHz。這樣,對于一個128位明文分組的加密需要11個時鐘周期,因此,其加密速率為1.49 Gb/s。這一速率已經(jīng)能滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的需要,然而為了滿足一些更高速應(yīng)用的需要,可以通過改變加密處理過程體系結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化相應(yīng)設(shè)計。要提高加密速率,最簡單的方法是使用循環(huán)展開技術(shù)將迭代加密的結(jié)構(gòu)展開,并將多份加密輪變換電路的輸入輸出首尾相連,如圖1(b)所示。這樣可以節(jié)省寄存器建立延遲和選路器的傳輸延遲時間,從而加快加密變換處理的速度。然而,這種方法會消耗大量的邏輯資源,并且性能提高得不多。根據(jù)我們的實驗,循環(huán)展開后的芯片速度比迭代結(jié)構(gòu)增加了17%,然而所消耗的邏輯資源卻是迭代結(jié)構(gòu)的6倍。因此,這一優(yōu)化方法的效率是極其低的;只有在對性能要求很高,但資源又充分的情況下才能采用。
    另外一種優(yōu)化方法是使用流水線技術(shù)。它是將關(guān)鍵執(zhí)行路徑切分為多級短的執(zhí)行步,并在各執(zhí)行步電路間插入寄存器存儲上一級執(zhí)行結(jié)果。這樣,雖然關(guān)鍵執(zhí)行路徑?jīng)]有變短,但電路可以在一個較少的時鐘周期內(nèi)同時處理多個數(shù)據(jù)塊的加密,從而提高了并發(fā)程度,因此,加密速率也就能大大提高。在設(shè)計加密算法處理流水線的過程中,最常用的是輪間流水線技術(shù)。輪問流水線技術(shù)是將循環(huán)展開結(jié)構(gòu)按各加密輪切分為一系列的流水線,其中每一輪加密變換為一級。在流水線的各級之間插入寄存器,寄存器由同步時鐘來控制,每次時鐘觸發(fā),寄存器就保存上一次的變換結(jié)果,同時將之前保存的結(jié)果送流水線處理部件處理并將結(jié)果保存到下一級寄存器中,如圖1(c)所示。根據(jù)我們的實驗結(jié)果(見圖3),輪間流水線結(jié)構(gòu)的設(shè)計,加密速率是迭代結(jié)構(gòu)的12倍;同時資源消耗也大量增長,是迭代結(jié)構(gòu)的7倍。由實驗結(jié)果可見,輪間流水線技術(shù)是一種對分組加密算法很有效的優(yōu)化技術(shù)。特別是當算法中加密輪函數(shù)較為簡單的情況下,輪間流水線技術(shù)是相當適用的;但是,對于一些輪函數(shù)復雜,加密輪數(shù)較少的算法,輪問流水線技術(shù)的優(yōu)化效果就不是很突出了。

    Chodowiec等人提出了輪內(nèi)流水線技術(shù),以優(yōu)化這類加密變換輪較為復雜的算法。輪內(nèi)流水線將加密輪分割為多級,在每一級間插入寄存器,以實現(xiàn)流水線,如圖2(a)所示。這種方法的優(yōu)點在于所增加的資源消耗很少,僅需多級寄存器;然而也存在缺點,輪內(nèi)流水線很難平衡各級間的延遲,而整體時鐘的頻率只能由最長流水線的延遲決定。我們的實驗將AES加密函數(shù)按其組成模塊分割為4級流水線,要將其分為更多級也是可以做到的,但較為困難,因為類似S一盒這樣的長結(jié)構(gòu)很難再分,而它們的延遲將決定總體時鐘的頻率。

    根據(jù)圖3所示實驗結(jié)果,輪內(nèi)流水線結(jié)構(gòu)的執(zhí)行效率比迭代結(jié)構(gòu)的執(zhí)行效率高5倍,而所需資源反而比迭代結(jié)構(gòu)減少11%。經(jīng)分析,輪間流水線結(jié)構(gòu)加入了模塊問寄存器,所需資源應(yīng)該增加,而實際綜合結(jié)果卻是減少。為此我們詳細分析了兩模塊中各結(jié)構(gòu)的綜合報告。從報告的數(shù)據(jù)看,應(yīng)該是邏輯綜合軟件對設(shè)計的優(yōu)化,使得輪間流水線結(jié)構(gòu)所需資源反而減少。

    為了達到極高的加密速度,將輪內(nèi)流水線和輪外流水線結(jié)合使用,設(shè)計了混和輪內(nèi)外流水線結(jié)構(gòu)?;旌陷唭?nèi)外流水線結(jié)構(gòu)具有極短的流水線單級延遲,因而時鐘頻率可以提高到212.5 MHz。同時,混合輪內(nèi)外流水線結(jié)構(gòu)能夠在每一時鐘周期內(nèi)完成一個數(shù)據(jù)分組的加密,這樣,加密的速度就可以達到27.1 Gb/s。這一速度是目前有關(guān)AES的高速加密芯片實現(xiàn)的報告中數(shù)據(jù)較高的。為了達到這樣高的加密速度,所需要的資源也是相當可觀的。邏輯綜合結(jié)果顯示,完成這一設(shè)計需要17 887個邏輯單元,如圖4所示。這相當于4塊Xilinx XC2V1000 FPGA的容量。同時,我們也評估了各種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的效率,用速率資源比,即每秒所能進行加密的Mb數(shù)除以設(shè)計所需的邏輯單元數(shù)目得到的比值作為結(jié)構(gòu)的效率。從圖5可以看到,輪內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)是最高效的一種設(shè)計,其比值為3.49;而循環(huán)展開結(jié)構(gòu)效率最低,僅0.12。因此,在邏輯資源相對有限的條件下,選擇使用輪內(nèi)循環(huán)是比較合適的。

3 結(jié) 論
    綜上所述,除對AES加密算法基本運算變換的優(yōu)化外,算法的整體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)對其加密性能的影響是很重要的一個方面。一般情況下,在對效率要求不是很高的環(huán)境中,迭代結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單,所需資源最少,因而較為合適;但要達到更高的加密效率,并且希望實現(xiàn)代價較低的情況下,采用輪內(nèi)流水線結(jié)構(gòu)是一個較為合理的折中方案;只有當有大量資源可用并且追求最高的加密性能時,才有必要采用輪內(nèi)輪間多級混合流水線結(jié)構(gòu)。

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