一種可預(yù)置和重構(gòu)的密鑰裝置及運(yùn)行方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可預(yù)置和重構(gòu)的密鑰裝置及運(yùn)行方法，包括：鍵盤(pán)模塊、128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊、初始密鑰查找表模塊、1串入128并出移位寄存模塊、控制模塊I模塊、循環(huán)左移模塊、S盒查表模塊、32位擴(kuò)展密鑰生成模塊、控制模塊II、32并入128并出移位寄存模塊、輪密鑰存儲(chǔ)模塊構(gòu)成，本發(fā)明可實(shí)時(shí)通過(guò)硬件電路產(chǎn)生的128個(gè)128位初始密鑰和128X10個(gè)128位分組輪密鑰，解決了AES加密中密鑰被破解，必須重新更換初始密鑰及輪密鑰的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】-種可預(yù)置和重構(gòu)的密鑰裝置及運(yùn)行方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信息加密【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地講是一種預(yù)置和重構(gòu)的密鑰裝置及運(yùn)行方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子技術(shù)和通信技術(shù)的不斷快速發(fā)展，用戶對(duì)信息的安全存儲(chǔ)、安全處理和 安全傳輸?shù)男枨笤絹?lái)越迫切，如何保護(hù)數(shù)據(jù)的安全，已經(jīng)成為人們首要面對(duì)的問(wèn)題。2000年 10月2日，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST選擇AES算法作為美國(guó)國(guó)家高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)，AES 已經(jīng)在世界范圍內(nèi)成為加密標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的AES加密中的密鑰生成器大多是基于一種初始 密鑰的密鑰生成器，一旦被破解，就必須重新更換初始密鑰，比較麻煩。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)AES 的研究還是集中體現(xiàn)在軟件實(shí)現(xiàn)上，用軟件加密會(huì)受到處理器速度的影響，實(shí)現(xiàn)太慢，隨著 塊加密算法越來(lái)越復(fù)雜，情況更是如此；其次是加密通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)更安全，通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn) 密鑰模塊的內(nèi)部運(yùn)作，算法固化在硬件中，這使得比軟件更不容易修改，可保證在外界無(wú)密 鑰的明文流動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的保密。如中國(guó)專利200910013660. 2公開(kāi)了一種利用 VLSI實(shí)現(xiàn)128位密鑰長(zhǎng)度AES算法的裝置，用微處理器接口模塊和微處理器相連，微處理器 接口模塊分別和密鑰擴(kuò)展模塊，密鑰輪數(shù)選擇器，數(shù)據(jù)輸出選擇器和狀態(tài)輸出選擇器相連 接，密鑰擴(kuò)展模塊的密鑰輪數(shù)與密鑰輪數(shù)選擇器輸出連接，密鑰擴(kuò)展模塊狀態(tài)輸出與微處 理器接口模塊連接，密鑰擴(kuò)展模塊輪密鑰輸出同時(shí)與加密運(yùn)算模塊的輪鑰輸入、解密模塊 的輪密鑰輸入連接。但該發(fā)明難以實(shí)時(shí)對(duì)初始密碼進(jìn)行修改。此外，硬件實(shí)現(xiàn)還具有高速、 高可靠性等特點(diǎn)。因此設(shè)計(jì)AES算法的硬件實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)我國(guó)自主的硬件加密芯片，具有重要 的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和理論意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可預(yù)置和重構(gòu)并擴(kuò)展密鑰算法 的密鑰裝置及運(yùn)行方法。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種可預(yù)置和重構(gòu)并擴(kuò) 展密鑰裝置，包括：鍵盤(pán)模塊、128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊、初始密鑰查找表模塊、1串入128并出移 位寄存模塊、控制模塊I模塊、循環(huán)左移模塊、S盒查表模塊、32位擴(kuò)展密鑰生成模塊、控制 模塊II、32并入128并出移位寄存模塊、輪密鑰存儲(chǔ)模塊構(gòu)成，鍵盤(pán)模塊的輸出與128單循 環(huán)位計(jì)數(shù)模塊相連；128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊的輸出與初始密鑰查找表模塊相連；初始密鑰查 找表模塊的輸出與1串入128并出移位寄存模塊相連；1串入128并出移位寄存模塊的輸 出與控制模塊I模塊相連；控制模塊I的輸出與循環(huán)左移模塊和32位擴(kuò)展密鑰生成模塊 相連；循環(huán)左移模塊的輸出與S盒查表模塊相連；S盒查表模塊的輸出與32位擴(kuò)展密鑰生 成模塊相連；32位擴(kuò)展密鑰生成模塊的輸出與控制模塊II相連；控制模塊II的輸出與控制 模塊I、32并入128并出移位寄存模塊和輪密鑰存儲(chǔ)模塊相連；32并入128并出移位寄存 模塊的輸出與輪密鑰存儲(chǔ)模塊相連。
[0004] 所說(shuō)的128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊包括時(shí)鐘、復(fù)位端、使能端、預(yù)置數(shù)控制端、預(yù)置數(shù)據(jù) 輸入端、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值輸出端和下一模塊的同步信號(hào)控制端。
[0005] 初始密鑰查找表模塊包括時(shí)鐘、使能端、地址數(shù)據(jù)輸入端、存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)輸出端。
[0006] 擴(kuò)展密鑰生成模塊包括：時(shí)鐘、復(fù)位端、數(shù)據(jù)輸入控制及啟動(dòng)端、128位初始密鑰 數(shù)據(jù)輸入端、128位輪密鑰輸出端、循環(huán)次數(shù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值輸出端、對(duì)輪密鑰存儲(chǔ)器的寫(xiě)入 控制端。
[0007] -種可預(yù)置和重構(gòu)并擴(kuò)展密鑰算法的密鑰裝置運(yùn)行方法，基于FPGA來(lái)完成，按下 列步驟進(jìn)行： 1、 鍵盤(pán)模塊輸入1個(gè)7位二進(jìn)制數(shù)data作為128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊的預(yù)置數(shù)； 2、 128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊由預(yù)置數(shù)data開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)值為127時(shí),然后由0到data-Ι,停 止計(jì)數(shù)，共生成128個(gè)計(jì)數(shù)值； 3、 128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊生成128個(gè)計(jì)數(shù)值作為初始密鑰查找表模塊的地址進(jìn)行查表， 生成128個(gè)1位數(shù)據(jù)； 4、 1串入128并出移位寄存模塊將128個(gè)1位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1個(gè)128位數(shù)據(jù)，此128位數(shù) 據(jù)作為初始密鑰； 5、 控制模塊I將128位初始密鑰分組為4列W3w2WlW(l，進(jìn)入密鑰擴(kuò)展流程，經(jīng)40次循環(huán) 以AES密鑰擴(kuò)展的遞歸算法生成40個(gè)新列w 43-w4; 6、 控制模塊II控制： (1) 判斷如果循環(huán)變量i的值小于43則進(jìn)行循環(huán)，如果循環(huán)變量i的值等于43則結(jié)束 循環(huán)； (2) 將32位擴(kuò)展密鑰生成模塊生成的新列W (i)送32并入128并出移位寄存模塊，并 控制32并入128并出移位寄存模塊將4次循環(huán)生成的4個(gè)32位W (i)合為1個(gè)128位的 AES輪密鑰； (3) 控制32并入128并出移位寄存模塊生成的128位AES輪密鑰存入輪密鑰存儲(chǔ)模 塊； 7、 32并入128并出移位寄存模塊在控制模塊II控制下，將4次循環(huán)生成的4組32位W (i)合為1個(gè)128位的AES輪密鑰； 8、 輪密鑰存儲(chǔ)模塊在控制模塊II控制下，將1個(gè)128位的AES輪密鑰存入相應(yīng)的存儲(chǔ) 單元；10個(gè)存儲(chǔ)單元與10個(gè)AES輪密鑰相對(duì)應(yīng)。
[0008] 本申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)的一種實(shí)時(shí)可預(yù)置可重構(gòu)初始密鑰和輪密鑰的系統(tǒng)，通過(guò)控制單循環(huán) 計(jì)數(shù)器的數(shù)值就可以在高速條件下大大提高密鑰擴(kuò)展的數(shù)量，而且操作簡(jiǎn)單。工作原理如 下：第一部分主要用于128個(gè)128位初始密鑰的生成：通過(guò)鍵盤(pán)模塊輸入1個(gè)7位二進(jìn)制 數(shù)作為128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊的預(yù)置數(shù)，單循環(huán)計(jì)數(shù)器會(huì)在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生128個(gè)計(jì)數(shù)值作為 初始密鑰查找表模塊的地址進(jìn)行查表，生成128個(gè)1位數(shù)據(jù)，經(jīng)1串入128并出移位寄存器 模塊后，最后生成1個(gè)128位二進(jìn)制數(shù)作為輪變換的初始密鑰；第二部分主要用于擴(kuò)展新的 10個(gè)128位輪密鑰：在控制模塊I作用下，128位初始密鑰分組為4列，進(jìn)入密鑰擴(kuò) 展流程，經(jīng)40次循環(huán)生成40個(gè)新列w 43-w4;控制模塊I根據(jù)循環(huán)變量i不能被4整除，則將 數(shù)據(jù)送32位擴(kuò)展密鑰生成模塊；控制模塊I根據(jù)循環(huán)變量i能被4整除，則將數(shù)據(jù)送循環(huán) 左移模塊、S盒查表模塊和32位擴(kuò)展密鑰生成模塊。在控制模塊II控制作用下：如果循環(huán) 變量i的值小于43則按AES密鑰遞歸算法進(jìn)行循環(huán)，如果循環(huán)變量i的值等于43則結(jié)束 循環(huán)。將32位擴(kuò)展密鑰生成模塊生成的W (i)送32并入128并出移位寄存模塊，并控制 32并入128并出移位寄存模塊將4次循環(huán)生成的4個(gè)32位W (i)合為1個(gè)128位的AES 輪密鑰。經(jīng)40次循環(huán)生成10個(gè)AES輪密鑰，并存入輪密鑰存儲(chǔ)模塊相應(yīng)的存儲(chǔ)單元。
[0009] 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明相比于傳統(tǒng)的密鑰生成器，密鑰被破解后，可實(shí)時(shí)地通過(guò)硬件 電路產(chǎn)生新的初始密鑰和輪密鑰，增加了密鑰生成器的靈活性。詳見(jiàn)128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊 的仿真圖和輪密鑰生成器測(cè)試結(jié)果表1、2。
[0010] 128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊的仿真結(jié)果分析：當(dāng)RST=0時(shí)，Q〈= (others=>' 0'），EN=1，EN 是用來(lái)控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的信號(hào)。當(dāng)elk時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，如果使能信號(hào)EN=1，并且RST=1， 并且 L0AD=0 時(shí)，變量 Q〈=DATA，而當(dāng) L0AD=1 時(shí)，而 DATA〈127 時(shí)，Q〈=Q+1 ;當(dāng) Q=127 時(shí)，給 Q 賦值〇,然后繼續(xù)Q〈=Q+1，直到Q〈=DATA-1時(shí)結(jié)束。如圖所示，DATA輸入值為0100010 (即十 進(jìn)制34)時(shí)，開(kāi)始從34計(jì)數(shù)，當(dāng)Q=127時(shí)，Q回到0,然后繼續(xù)加，直到Q〈= DATA -1，即33， 完成一輪循環(huán)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)束。
[0011] 輪密鑰生成器測(cè)試結(jié)果 ROM初始密鑰查找表模塊中的初始隨機(jī)數(shù)據(jù)為09cf4f3cabf7158828aed2a62b7el516， 當(dāng)鍵盤(pán)模塊輸入0010111 (即十進(jìn)制23)時(shí)，此時(shí)初始密鑰產(chǎn)生部分產(chǎn)生初始密鑰為E7957 EE2B10515DA54C56FC2A2C139E9,40個(gè)32位密鑰依次輸出如表1所示，產(chǎn)生10輪128位輪 密鑰如表2所示。

【權(quán)利要求】
1. 一種可預(yù)置和重構(gòu)的密鑰裝置，包括：鍵盤(pán)模塊、128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊、初始密鑰查 找表模塊、1串入128并出移位寄存模塊、控制模塊I模塊、循環(huán)左移模塊、S盒查表模塊、 32位擴(kuò)展密鑰生成模塊、控制模塊II、32并入128并出移位寄存模塊、輪密鑰存儲(chǔ)模塊構(gòu) 成，鍵盤(pán)模塊的輸出與128單循環(huán)位計(jì)數(shù)模塊相連；128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊的輸出與初始密鑰 查找表模塊相連；初始密鑰查找表模塊的輸出與1串入128并出移位寄存模塊相連；1串入 128并出移位寄存模塊的輸出與控制模塊I模塊相連；控制模塊I的輸出與循環(huán)左移模塊 和32位擴(kuò)展密鑰生成模塊相連；循環(huán)左移模塊的輸出與S盒查表模塊相連；S盒查表模塊 的輸出與32位擴(kuò)展密鑰生成模塊相連；32位擴(kuò)展密鑰生成模塊的輸出與控制模塊II相連； 控制模塊II的輸出與控制模塊I、32并入128并出移位寄存模塊和輪密鑰存儲(chǔ)模塊相連； 32并入128并出移位寄存模塊的輸出與輪密鑰存儲(chǔ)模塊相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可預(yù)置和重構(gòu)的密鑰裝置，其特征在于：所說(shuō)的128單 循環(huán)計(jì)數(shù)模塊包括時(shí)鐘elk、復(fù)位端rst、使能端en、預(yù)置數(shù)控制端load、預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端 data [6. . 0]、dout [6. . 0]是計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值輸出端和下一模塊的同步信號(hào)控制端enable。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可預(yù)置和重構(gòu)的密鑰裝置，其特征在于：初始密 鑰查找表模塊包括時(shí)鐘enable、使能端地址數(shù)據(jù)輸入端elken、存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)輸出端 address [6. . 0]，q是存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)輸出端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可預(yù)置和重構(gòu)的密鑰裝置，其特征在于：擴(kuò)展密鑰生成 模塊包括：時(shí)鐘elk、復(fù)位端rst、數(shù)據(jù)輸入控制及啟動(dòng)端load、128位初始密鑰數(shù)據(jù)輸入端 initkey、128位輪密鑰輸出端roundkey[127. · 0]、循環(huán)次數(shù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值輸出端entout、 對(duì)輪密鑰存儲(chǔ)器的寫(xiě)入控制端wr。
5. -種可預(yù)置和重構(gòu)的密鑰裝置運(yùn)行方法，基于FPGA來(lái)完成，其特征在于，按下列步 驟進(jìn)行： (1) 鍵盤(pán)模塊輸入1個(gè)7位二進(jìn)制數(shù)data作為128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊的預(yù)置數(shù)； (2) 128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊由預(yù)置數(shù)data開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)值為127時(shí),然后由0到data-1, 停止計(jì)數(shù)，共生成128個(gè)計(jì)數(shù)值； (3) 128單循環(huán)計(jì)數(shù)模塊生成128個(gè)計(jì)數(shù)值作為初始密鑰查找表模塊的地址進(jìn)行查表， 生成128個(gè)1位數(shù)據(jù)； (4) 1串入128并出移位寄存模塊將128個(gè)1位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1個(gè)128位數(shù)據(jù)，此128位 數(shù)據(jù)作為初始密鑰； (5) 控制模塊I將128位初始密鑰分組為4列W3w2WlW(l，進(jìn)入密鑰擴(kuò)展流程，經(jīng)40次循 環(huán)以AES密鑰擴(kuò)展的遞歸算法生成40個(gè)新列w 43-w4; (6) 控制模塊II控制： ① 判斷如果循環(huán)變量i的值小于43則進(jìn)行循環(huán)，如果循環(huán)變量i的值等于43則結(jié)束 循環(huán)； ② 將32位擴(kuò)展密鑰生成模塊生成的新列W (i)送32并入128并出移位寄存模塊，并 控制32并入128并出移位寄存模塊將4次循環(huán)生成的4個(gè)32位W (i)合為1個(gè)128位的 AES輪密鑰； ③ 控制32并入128并出移位寄存模塊生成的128位AES輪密鑰存入輪密鑰存儲(chǔ)模塊； (7) 32并入128并出移位寄存模塊在控制模塊II控制下，將4次循環(huán)生成的4組32位 W (i)合為1個(gè)128位的AES輪密鑰； (8)輪密鑰存儲(chǔ)模塊在控制模塊II控制下，將1個(gè)128位的AES輪密鑰存入相應(yīng)的存儲(chǔ) 單元；10個(gè)存儲(chǔ)單元與10個(gè)AES輪密鑰相對(duì)應(yīng)。
【文檔編號(hào)】H04L9/08GK104219043SQ201410359126
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】肖順文, 鄒貴祥, 戚淮兵, 代顯智, 劉漢奎, 王云秀, 張謙述, 江敏, 朱松柏 申請(qǐng)人:西華師范大學(xué)