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针对AES加密算法的研究及其FPGA实现

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目录

摘要

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 国内外加密算法研究现状

1.2.2 数据加密标准的研究现状

1.2.3 软硬件实现方式研究现状

1.3 主要研究内容及组织结构

第二章 AES算法研究

2.1 分组密码

2.2 AES算法的基本运算

2.2.1 含有有限个元素的域

2.2.2 有限域上的多项式

2.2.3 有限域上多项式的运算

2.3 AES算法描述

2.3.1 状态矩阵与密钥矩阵

2.3.2 工作模式

2.3.3 整体结构

2.3.4 轮变换与密钥扩展

2.4 本章小结

第三章 AES算法优化设计

3.1 算法性能分析

3.2 算法优化

3.2.1 S-盒优化设计

3.2.2 列混合变换优化

3.3 算法结构优化

3.3.1 AES流水线结构研究

3.3.2 混合流水线结构优化设计

3.4 本章小结

第四章 AES加密系统FPGA设计与实现

4.1 设计流程及环境

4.1.1 开发环境

4.1.2 设计流程

4.2 系统架构

4.3 自定义AES IP Core的设计

4.3.1 字节代换模块设计

4.3.2 密钥扩展模块的设计

4.3.3 有限状态机的设计

4.4 AES Nios系统设计

4.5 软件设计

4.6 本章小结

第五章 系统仿真和性能分析

5.1 系统仿真

5.2 性能分析

5.3 系统特点

5.4 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录一 英文缩略语表

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参加的科研项目

声明

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摘要

在如今的这个信息化高速发展的时代,网络不仅给我们的生活带来了诸多便利,也推动了航天、军事,商务领域的不断发展。因此,信息安全尤其是在数据存储和传输方面的数据安全尤为重要。数据加密技术在数据安全中起着的至关重要的作用,它保护敏感信息免受来自外界的恶意攻击,使数据不被盗取、篡改,对于加密技术的研究也一直是国际上的热点研究课题。
   国际上现行的数据加密标准是AES加密标准,又称Rijndael算法,它取代了DES和3DES,成为21世纪保护信息安全的新一代加密标准。本文针对AES加密算法进行研究,通过分析其算法结构及加密原理,对其算法性能进行了评估,并针对其S盒进行了特定的算法优化,提高了算法的复杂度和安全性。从其工作模式上选取了适合硬件实现的非反馈模式,设计出了一种高效且资源利用率较低的内外混合流水线结构。
   设计采用NiosⅡ CPU的SOPC集成实现方式,基于FPGA设计出了具有加密和解密功能的,密钥可配置的,资源利用和吞吐量都十分理想的SOPC加密系统。采用自定义组件的方式,对软硬件做出合理的划分,缩小了高级语言和机器指令的差距,实现了复杂的AES指令。系统轮变换通过状态机进行控制,采用加密内部和解密外部的密钥扩展方式,提高了系统的执行速度。系统由Modelsim仿真并进行了性能参数分析,通过与其他设计者所设计的系统进行横向对比,体现了本设计在执行速度和资源利用方面的优势。

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