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2000年10月2日，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局NIST宣布，比利時(shí)密碼學(xué)家Joat Daemen和Vincent Rijmen設(shè)計(jì)的“RijndaeI算法”以安全性好、運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)要求低、靈活性強(qiáng)最終當(dāng)選AES。該算法對(duì)目前的各種威脅是免疫的。這標(biāo)志著信息技術(shù)有了新的安全工具，為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和電子商務(wù)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的保障。 在當(dāng)前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后PC時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、軍事技術(shù)、各類(lèi)產(chǎn)業(yè)和商業(yè)文化藝術(shù)以及人們的日常生活等方方面面中，成為目前最熱門(mén)的技術(shù)之一。 本文使用北京博創(chuàng)興業(yè)科技有限公司研制的UP-NETARM300嵌入式開(kāi)發(fā)板，在ARM SDT 2.51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，建立基于μC／OS-Il操作系統(tǒng)的工程文件，分別調(diào)用ARM匯編程序和C程序在嵌入式微處理器上實(shí)現(xiàn)了Rijndael算法，并比較了兩者的效率。下面以分組長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度都是128位為例，介紹調(diào)用ARM匯編程序?qū)崿F(xiàn)加密算法的過(guò)程。本實(shí)現(xiàn)算法可以將密鑰長(zhǎng)度擴(kuò)展到192位或256位。 1 Rijndael加密算法簡(jiǎn)介 1．1 算法流程結(jié)構(gòu) Rijndael加密算法的128位輸入分組用以字節(jié)為單位的正方形矩陣描述。該數(shù)組被復(fù)制到State數(shù)組。加密過(guò)程分為四個(gè)階段：密鑰擴(kuò)展、輪密鑰加、Nr-1(對(duì)應(yīng)128、192、256位密鑰長(zhǎng)度，Nr分別為10、12、14)輪變換及最后一輪變換。輪變換包括字節(jié)代換、行移位、列混淆和輪密鑰加四個(gè)過(guò)程，最后一輪變換包括字節(jié)代換、行移位和輪密鑰加三個(gè)過(guò)程。用偽C代碼表示如下： 1. 2算法所使用的主要變換 (1)字節(jié)代換SubByte 用一個(gè)簡(jiǎn)單的查表操作代替了基于矩陣乘法的復(fù)雜仿射變換。Rijndael定義了一個(gè)16×16字節(jié)的S盒矩陣，包含8位值所能表達(dá)的256種可能的變換。把Statc中每個(gè)字節(jié)的高4位作為行值，低4位作為列值，取出S盒中對(duì)應(yīng)行列的元素作為新的字節(jié)輸出。行移位變換ShiftRow：State的第一行保持不變，第2、3、4行分別循環(huán)左移1、2、3個(gè)字節(jié)。 (2)列混淆變換MixColumn 可表示為如下基于系數(shù)矩陣CoefMix與State的矩陣乘法： 乘積矩陣中的每個(gè)元素S'i,j是系數(shù)矩陣中一行元素CoefMix[i，k]與State矩陣中對(duì)應(yīng)一列元素State[k，j]的乘積之和。這里的加法與乘法都定義在有限域GF(28)上：加法即按位異或操作，乘法遵循GF(28)上的多項(xiàng)式乘法規(guī)則。 (3)密鑰擴(kuò)展KeyExpanxsion 以4個(gè)字密鑰為輸入，生成44字?jǐn)U展密鑰數(shù)組ω[44]，為初始輪密鑰加階段和后面10輪變換提供輪密鑰。輸入密鑰直接被復(fù)制到擴(kuò)展密鑰數(shù)組的前4個(gè)字，然后每次用4個(gè)字填充擴(kuò)展密鑰數(shù)組余下的部分。在擴(kuò)展密鑰數(shù)組中，ω[ i]值依賴(lài)于ω[i-1]和ω[i-4]。ω?cái)?shù)組中下標(biāo)不是4的倍數(shù)時(shí)，ω[ i]為ω[i-1]和ω[i-4]的異或。下標(biāo)為4的倍數(shù)時(shí)，首先將ω[i-1]的4個(gè)字節(jié)循環(huán)左移1個(gè)字節(jié)，然后利用S盒對(duì)每個(gè)字節(jié)進(jìn)行字節(jié)代換，再與輪常量按位異或。輪常量是1個(gè)字，其最右邊3個(gè)字節(jié)為O，最左邊1個(gè)字節(jié)的值RC[j]與輪數(shù)j相關(guān)。RC=1，RC[j]=2·RC[j-1]，乘法定義在GF(28)上。RC[j]值以十六進(jìn)制表示。 (4)輪密鑰加AddRoundKey 是基于State列的操作，即把State一列中的4個(gè)字節(jié)與輪密鑰RoundKey的1個(gè)字進(jìn)行“異或”。 2 ARM匯編編程實(shí)現(xiàn)Rijndael算法的要點(diǎn) 2. 1源程序組成及功能 源程序包含main.c和ARM匯編程序Rijndael.s。main.c用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要完成調(diào)用μC／OS-II函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)初始化及I／O的全部功能，并調(diào)用Rijndael.s對(duì)明文加密。明文、密鑰及密文均在開(kāi)發(fā)板顯示屏上輸出。 Rijndael.s用ARM匯編編程語(yǔ)言編寫(xiě)，是實(shí)現(xiàn)加密算法的關(guān)鍵程序。 2. 2 Rijndael.s程序?qū)崿F(xiàn)加密算法步驟 Rijndael.s主要通過(guò)ARM匯編子程序調(diào)用完成加密算法，包括1個(gè)代碼段和1個(gè)數(shù)據(jù)段。它把算法所使用的所有變換均用同名ARM匯編子程序?qū)崿F(xiàn)。代碼段包括以下幾個(gè)模塊： 首先，進(jìn)行明文、密鑰預(yù)處理。明文可以從開(kāi)發(fā)板鍵盤(pán)上接收，也可以是常量或參數(shù)傳遞過(guò)來(lái)的變量。 其次，調(diào)用子程序KeyExpansion完成密鑰擴(kuò)展。 第三，調(diào)用子程序AddRoLundKey完成初始輪密鑰加。 第四，輪變換。包括四個(gè)步驟：①調(diào)用于程序SubByte進(jìn)行字節(jié)代換；②調(diào)用子程序ShiftRow進(jìn)行行移位；③調(diào)用子程序MixColumn進(jìn)行列混淆；④調(diào)用子程序Ad-dRoundKey進(jìn)行輪密鑰加。本過(guò)程重復(fù)9次。 第五，最后一輪變換。包括三個(gè)步驟：①調(diào)用子程序SubByte進(jìn)行字節(jié)代換；②調(diào)用子程序ShiftRow進(jìn)行行移位；③調(diào)用子程序AddRoundKey進(jìn)行輪密鑰加。 最后，對(duì)生成的密文進(jìn)行進(jìn)一步處理，即把密文視為4×4數(shù)組，將其行與列對(duì)調(diào)。 在數(shù)據(jù)段中對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程中使用到的部分?jǐn)?shù)據(jù)或中間變量進(jìn)行了定義并初始化。如字節(jié)代換中的S盒及列混淆變換中的系數(shù)矩陣等。 2．3 ARM匯編子程序代碼設(shè)計(jì)舉例 在所有子程序中，列混淆變換和密鑰擴(kuò)展的代碼設(shè)計(jì)難度較高，算法較復(fù)雜。下面是列混淆子程序的代碼設(shè)計(jì)： 3 Rijndael加密算法實(shí)現(xiàn)效率比較 在調(diào)用ARM匯編程序?qū)崿F(xiàn)Rijndael加密算法之余，還在嵌入式微處理器ARM上通過(guò)調(diào)用C子程序?qū)崿F(xiàn)了Rijndael算法，同樣獲得了正確結(jié)果。表1、表2是兩種實(shí)現(xiàn)方式的空間與時(shí)間效率比較。 由表1知，ARM子程序比C子程序所占用的空間明顯小得多，前者僅為后者的55％。由表2，運(yùn)行一次ARM匯編程序Rijndael.s程序完成加密算法，僅需約0.657 tick(此處，1000 tick="1s")，而運(yùn)行一次c子程序約需0.996 tick，比前者增加了52％。 結(jié)語(yǔ) 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)Rijndael算法在嵌入式微處理器ARM上的實(shí)現(xiàn)具有一定的實(shí)用價(jià)值。經(jīng)University of Califor-nia，San Diego在因特網(wǎng)上提供的測(cè)試程序Interactive Ri-jndael Test Vectors in JavaScript驗(yàn)證，本實(shí)現(xiàn)算法是正確的。 |
