[发明专利]基于合成矩阵的AES加密单元、AES加密电路及其加密方法

说明书

本发明适用于加密技术领域，提供了一种基于合成矩阵的AES加密单元、AES加密电路及加密方法，本发明提出AES加密单元，用于实现4个字节的AES加密，通过常数矩阵的合并与合成运算，将轮变换中的所有线性变换运算组合成两个合成矩阵，合成矩阵Δ与合成矩阵Λ，从而缩短实现AES加密电路关键路径，同时减少AES加密电路实现面积。

技术领域

本发明属于加密技术领域，提供了一种基于合成矩阵的AES加密单元、AES加密电路及加密方法。

背景技术

AES(Advanced Encryption Standard,高级加密标准)是由美国国家标准与技术研究院2001年制定的新一代分组对称密码算法，用于取代原来的DES(Data EncryptionStandard，数据加密标准)。目前，AES密码算法已经被多个国际标准组织所采用，是目前使用最广泛的分组密码算法。

AES密码算法的数据分组长度为128比特，密钥长度有128，192和256比特三种，分别称为AES-128，AES-192，AES-256。AES算法是一个迭代算法，每一个迭代可以称为轮变换，密钥长度不同，轮变换数量也不同，AES-128，AES-192，AES-256的轮变换数量Nr分别为10，12，14。现有的AES加密流程如附图1所示，输入的明文数据首先后进行首轮变换，Nr–1轮普通轮变换，以及末轮变换，首轮变换依次进行密钥加运算及字节替换运算，普通轮变换依次完成行移位运算、列混合运算、密钥加运算及字节替换运算，末轮变换依次完成行移位运算及密钥加运算，通过运算单元的单独运算来实现上述轮变换，不仅浪费电路资源，且关键路径较长。

将相邻的几个运算单元合并成一个运算单元进行实现，T盒实现方式是目前轮变换电路实现中最常用的运算单元合并实现方式，T盒实现通过预计算方式将S盒、行移位和列混合等运算的运算结果预存一个存储运算单元中，以查询表的方式实现S盒、行移位和列混合合并运算功能。T盒实现减少了整个轮变换电路的关键路径，因此T盒实现方式主要应用在高速AES电路设计中。T盒实现方式虽然可以加快数据处理速度，但也大大增加了电路面积，如Rach等人将基于复合域S盒/逆S盒中最后一级GF(2⁴)乘法器、映射矩阵/逆映射运算、仿射/逆仿射运算、列混合/逆列混合运算和密钥加运算等五个运算合并成一个运算单元，合并运算单元缩短了电路关键路径，但同时也大大增加了电路面积。

发明内容

本发明实施例提供一种基于合成矩阵的AES加密单元，旨在解决现有的基于合并运算的AES加密电路，都是以增加电路面积为代价对关键路径长度进行优化的问题。

本发明是这样实现的，一种基于合成矩阵的AES加密单元，包括：

选择器S1、合成矩阵乘法运算单元1、选择器S2、复合域乘法逆运算单元、合成矩阵乘法运算单元2、以及常数加运算单元，选择器S1的一输入端与明文数据输入端连接，另一输入端与反馈数据输入端连接，输出端与合成矩阵乘法运算单元1的输入端连接，合成矩阵乘法运算单元1的输入端还与密钥输入端连接，合成矩阵乘法运算单元1设有三个输出端，其中两个输出端分别与选择器S2的两输入端连接，另一输出端与密文数据输出端连接，选择器S2的输出端与复合域乘法逆运算单元的输入端连接，复合域乘法逆运算单元的输出端与合成矩阵乘法运算单元2的输入端连接，合成矩阵乘法运算单元2的输出端与常数加运算单元的输入端连接，常数加运算单元的输出端与反馈数据输出端连接；

选择器S1从明文数据输入端输入的数据D_f和从反馈数据输入端输入的数据D_n中选择一组送入合成矩阵乘法运算单元1，当进行首轮变换运算时，将数据D_f送入合成矩阵乘法运算单元1中，当进行普通轮变换运算及末轮变换运算时，将数据D_n送入合成矩阵乘法运算单元1；