專利名稱：一種基于ram共享技術(shù)的可重構(gòu)s盒電路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本 發(fā)明涉及信息安全技術(shù)和集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于RAM共享技術(shù)的可重構(gòu)S盒電路結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)分組密碼算法中的S盒替換操作。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代社會(huì)的日益信息化、數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化，人們對(duì)信息安全技術(shù)的需求越來越廣泛和深入。信息安全技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，已從傳統(tǒng)的軍事、政治部門，逐步擴(kuò)展到社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)角落；信息安全產(chǎn)品成為整個(gè)社會(huì)良性運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障，保護(hù)信息的安全也已經(jīng)成為科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要課題。信息安全體系中，密碼算法是信息安全的基礎(chǔ)和核心技術(shù)，在密碼算法中分組密碼占有重要的地位，并廣泛的被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。通過對(duì)大量的分組密碼算法進(jìn)行分析和研究，發(fā)現(xiàn)分組密碼算法具有一個(gè)顯著的特征很多不同的分組密碼算法具有相同或相近的基本操作，對(duì)DES、AES、RC6等27種典型的分組密碼算法的基本操作及其使用頻度做了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)S盒變換的使用頻度達(dá)到50%。S 盒是許多分組密碼算法的核心組成部分，提供分組密碼算法所必需的混淆作用。在不同的分組密碼算法中，S盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)建方式也有所不同。S盒是許多分組密碼算法中的唯一非線性模塊，因此它的密碼強(qiáng)度對(duì)整個(gè)分組密碼算法的安全強(qiáng)度產(chǎn)生直接影響?，F(xiàn)有技術(shù)中的密碼處理器中，S盒的實(shí)現(xiàn)方式主要有2種(1)基于邏輯電路的實(shí)現(xiàn)方式，即用硬件邏輯電路來實(shí)現(xiàn)S盒操作所包含的布爾函數(shù)，其占用資源較少，但運(yùn)算速度較慢，而對(duì)于多種不同類型的S盒操作來說，不具可配置性，不能并行處理數(shù)據(jù)；(2)基于查找表(Look Up Table, LUT)的實(shí)現(xiàn)方式，將S盒替換表存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器(如RAM或ROM)中， S盒的輸入作為存儲(chǔ)器的地址輸入，對(duì)應(yīng)的地址空間中存放的數(shù)據(jù)就是S盒的輸出值，這種方法占用較多存儲(chǔ)單元，電路實(shí)現(xiàn)面積大，但運(yùn)算速度快，并且具有可配置性，能實(shí)現(xiàn)多種分組密碼運(yùn)算的S盒操作，并且當(dāng)處理器不工作時(shí)，存儲(chǔ)器不帶有任何算法信息，使得處理器具有更好的安全性。另一方面，目前許多的密碼處理器中采用流水線技術(shù)，可以大幅提升處理器的運(yùn)行速度。但由于通用S盒模塊不具備并行處理數(shù)據(jù)的能力，所以在η級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的密碼處理器中，每1級(jí)的運(yùn)算模塊中都需要包含一個(gè)通用S盒和其他相應(yīng)運(yùn)算單元，此時(shí)處理器速度增加η倍，同時(shí)面積也增加η倍，處理器的效率并沒有得到改善。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中，基于邏輯電路實(shí)現(xiàn)的S盒存在運(yùn)算速度慢，不具有可配置性的缺陷；基于查找表實(shí)現(xiàn)的S盒存在占用存儲(chǔ)單元多，電路實(shí)現(xiàn)面積大，不具備并行處理數(shù)據(jù)能力的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述問題，提出一種基于RAM共享技術(shù)的可重構(gòu)S盒電路結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算速度快，配置靈活，可并行處理數(shù)據(jù)，占用存儲(chǔ)單元少，電路實(shí)現(xiàn)面積小的優(yōu)點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種基于RAM共享技術(shù)的可重構(gòu)S盒電 路結(jié)構(gòu)，包括配置單元和替換單元，其特征是所述替換單元包括η個(gè)替換基元和一塊RAM，各個(gè)替換基元并行工作共享一個(gè)RAM ；本S盒的工作模式包括配置模式和運(yùn)算模式兩種在配置模式下，配置單元首先接收輸入的控制信號(hào)，存儲(chǔ)配置信息，然后根據(jù)配置信息對(duì)RAM進(jìn)行初始化配置；替換單元不工作，RAM在配置單元的控制下進(jìn)行初始化；在運(yùn)算模式下，根據(jù)存儲(chǔ)的配置信息控制替換單元的運(yùn)算狀態(tài)；替換單元接收輸入數(shù)據(jù)，完成S盒的替換操作，輸出處理后數(shù)據(jù)；所述替換單元采用基于查找表的方法實(shí)現(xiàn)S盒；替換單元有對(duì)應(yīng)η組輸入數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)η個(gè)替換基元；每個(gè)替換基元和RAM組合都實(shí)現(xiàn)S盒的替換功能，并行實(shí)現(xiàn)η個(gè)S盒的流水線操作；RAM包括m個(gè)相同的單元RAMm ；每個(gè)替換基元包括輸入數(shù)據(jù)控制電路和輸出數(shù)據(jù)選擇電路；輸入信號(hào)DATA_INm輸入給輸入數(shù)據(jù)控制電路，輸入信號(hào)處理電路處理得到內(nèi)部信號(hào)Ainm，Ainm輸出給RAM作為RAM的輸入地址信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)輸出給相應(yīng)的單元RAMm， 由單元RAMm把相應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)信號(hào)Aoutm返回輸入到替換基元中，輸出數(shù)據(jù)選擇電路對(duì)返回的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，輸出最終的數(shù)據(jù)信號(hào)，即完成S盒替換的數(shù)據(jù)信號(hào)。由運(yùn)算狀態(tài)控制信號(hào)M0DE_IN控制替換基元的運(yùn)算狀態(tài)，由配置狀態(tài)控制信號(hào) C0NFIG_IN對(duì)替換基元的配置狀態(tài)進(jìn)行控制，M0DE_IN和C0NFIG_IN來控制由輸入數(shù)據(jù)控制電路以及輸出數(shù)據(jù)選擇電路的工作狀態(tài)。所述的替換單元，由16個(gè)替換基元和一塊RAM構(gòu)成，用于接收輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，完成 S盒的替換操作，輸出處理后數(shù)據(jù)信號(hào)。替換單元采用RAM共享技術(shù)，使16個(gè)替換基元共享一個(gè)RAM，能夠并行工作，實(shí)現(xiàn)16個(gè)S盒的流水線操作。所述的替換基元包括輸入數(shù)據(jù)控制電路和輸出數(shù)據(jù)選擇電路構(gòu)成。替換基元有三種運(yùn)算狀態(tài)(1)4X4替換(2)6X4替換(3)8X8替換。替換基元和RAM組合使用可以實(shí)現(xiàn)S盒的功能，配置單元中存儲(chǔ)的配置信息控制替換基元的工作狀態(tài)，輸入數(shù)據(jù)控制電路對(duì)輸入替換基元的數(shù)據(jù)信號(hào)做相應(yīng)的處理，輸出到RAM，作為RAM的輸入地址信號(hào)。RAM輸出對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)信號(hào)返回到替換基元，輸出數(shù)據(jù)選擇電路對(duì)返回的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，輸出最終的數(shù)據(jù)信號(hào)，即完成S盒替換的數(shù)據(jù)信號(hào)。在配置模式下，替換單元不工作，RAM在配置單元的控制下進(jìn)行初始化。在運(yùn)算模式下，替換單元接收輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，完成S盒的替換操作，輸出處理后數(shù)據(jù)信號(hào)。替換單元采用基于查找表的方法實(shí)現(xiàn)S盒。根據(jù)配置的不同，能夠?qū)崿F(xiàn)多種分組密碼算法中的S盒替換操作。所述的RAM由8個(gè)大小為64X4位的RAMO，RAMI，......，RAM7組成。輸入為6位
的地址信號(hào)，輸出為4位的數(shù)據(jù)信號(hào)。RAM能同時(shí)被16個(gè)替換基元驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)16個(gè)替換基元的并行工作。本發(fā)明的原理說明如下S盒本質(zhì)上可以被看做映射S(X) = (f\(X)，fffl(X))巧“―F2m，n為S盒輸入X的位數(shù)，m為S盒輸出的S(X)位數(shù)，^Xhf2(X),. ..，fm(X)為輸出S(X)的第1，2，… m位。f\，f2，...，fm為輸入X對(duì)應(yīng)的輸出S⑴各個(gè)位的映射函數(shù)，通常簡(jiǎn)稱S是一個(gè)nXm的S盒。S盒通常采用查找表的方式實(shí)現(xiàn)，表的存儲(chǔ)量為mX2n位。本發(fā)明的S盒在4X4 替換、6X4替換、8X8替換三種運(yùn)算狀態(tài)中，最多需要8X28位的RAM，所以本發(fā)明中采用由 8個(gè)64X4位的RAMO，RAMI, ......，RAM7組成的總大小為8X28位的RAM。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明具有運(yùn)算速度快，配置靈活，可并行處理數(shù)據(jù)，占用存儲(chǔ)單元少，電路實(shí)現(xiàn)面積小的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的基于RAM共享技術(shù)的可重構(gòu)S盒電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的基于RAM共享技術(shù)的可重構(gòu)S盒電路結(jié)構(gòu)的替換單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的基于RAM共享技術(shù)的可重構(gòu)S盒電路結(jié)構(gòu)的替換單元的替換基元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 (a)為本發(fā)明的基于RAM共享技術(shù)的可重構(gòu)S盒電路結(jié)構(gòu)在流水線結(jié)構(gòu)的DES 密碼處理器中的使用說明圖；圖4(b)為流水線結(jié)構(gòu)的DES密碼處理器中輪運(yùn)算的結(jié)構(gòu)圖。表1為本發(fā)明的基于RAM共享技術(shù)的可重構(gòu)S盒電路結(jié)構(gòu)的替換單元的替換基元
的信號(hào)定義
權(quán)利要求
1.一種基于RAM共享技術(shù)的可重構(gòu)S盒電路結(jié)構(gòu)，包括配置單元和替換單元，其特征是所述替換單元包括η個(gè)替換基元和一塊RAM，各個(gè)替換基元并行工作共享一個(gè)RAM ；本S盒的工作模式包括配置模式和運(yùn)算模式兩種在配置模式下，配置單元首先接收輸入的控制信號(hào)，存儲(chǔ)配置信息，然后根據(jù)配置信息對(duì)RAM進(jìn)行初始化配置；替換單元不工作，RAM在配置單元的控制下進(jìn)行初始化；在運(yùn)算模式下，根據(jù)存儲(chǔ)的配置信息控制替換單元的運(yùn)算狀態(tài)；替換單元接收輸入數(shù)據(jù)，完成S盒的替換操作，輸出處理后數(shù)據(jù)；所述替換單元采用基于查找表的方法實(shí)現(xiàn)S盒；替換單元有對(duì)應(yīng)η組輸入數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)η個(gè)替換基元；每個(gè)替換基元和RAM組合都實(shí)現(xiàn)S盒的替換功能，并行實(shí)現(xiàn)η個(gè)S盒的流水線操作；RAM包括m個(gè)相同的單元RAMm ；每個(gè)替換基元包括輸入數(shù)據(jù)控制電路和輸出數(shù)據(jù)選擇電路；輸入信號(hào)DATA_INm輸入給輸入數(shù)據(jù)控制電路，輸入信號(hào)處理電路處理得到內(nèi)部信號(hào) Ainm，Ainm輸出給RAM作為RAM的輸入地址信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)輸出給相應(yīng)的單元RAMm，由單元 RAMm把相應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)信號(hào)Aoutm返回輸入到替換基元中，輸出數(shù)據(jù)選擇電路對(duì)返回的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，輸出最終的數(shù)據(jù)信號(hào)，即完成S盒替換的數(shù)據(jù)信號(hào)。由運(yùn)算狀態(tài)控制信號(hào)M0DE_IN控制替換基元的運(yùn)算狀態(tài)，由配置狀態(tài)控制信號(hào) C0NFIG_IN對(duì)替換基元的配置狀態(tài)進(jìn)行控制，M0DE_IN和C0NFIG_IN來控制由輸入數(shù)據(jù)控制電路以及輸出數(shù)據(jù)選擇電路的工作狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的S盒電路結(jié)構(gòu)，其特征是所述替換單元由16個(gè)替換基元和一塊RAM構(gòu)成；所述RAM由8個(gè)大小為64X4位的單元RAM單元組成；RAM能同時(shí)被16個(gè)替換基元驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)16個(gè)替換基元的并行工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的S盒電路結(jié)構(gòu)，其特征是替換基元在配置模式下不工作，在運(yùn)算模式下有三種運(yùn)算狀態(tài)4X4替換、6X4替換、8X8替換；表1為替換單元的替換基元的信號(hào)定義
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于RAM共享技術(shù)的可重構(gòu)S盒電路結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多種分組密碼算法中的S盒替換操作，適用于各種分組密碼處理器。該S盒電路結(jié)構(gòu)由配置單元電路和替換單元電路構(gòu)成。其中配置單元，用于接收輸入的控制信號(hào)，進(jìn)行存儲(chǔ)，配置并控制替換單元的運(yùn)算狀態(tài)；所述替換單元包括n個(gè)替換基元和一塊RAM，各個(gè)替換基元并行工作共享一個(gè)RAM；本發(fā)明具有運(yùn)算速度快，配置靈活，可并行處理數(shù)據(jù)，占用存儲(chǔ)單元少，電路實(shí)現(xiàn)面積小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04L9/06GK102347833SQ201110284750
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者余云帆, 單偉偉, 時(shí)龍興, 朱佳梁, 田朝軒, 陸寅超 申請(qǐng)人:東南大學(xué)