專利名稱：實現(xiàn)sms4算法的加解密系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線局域網(wǎng)分組密碼算法領(lǐng)域，具體為提出一種實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
SMS4密碼算法是國內(nèi)公布的第一個用于無線局域網(wǎng)產(chǎn)品的商用密碼算法，該算法是我國首個公開針對特殊領(lǐng)域的密碼算法，對無線局域網(wǎng)產(chǎn)業(yè)和商用密碼研究都有重要的意義。SMS4是基于S盒的分組對稱密碼算法，它對一組比特數(shù)據(jù)進行加解密運算，該算法的分組長度為128比特，密鑰長度為128比特。加密算法與密鑰擴展算法都采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)。
加密算法主要為讀入加解密數(shù)據(jù)和輪密鑰進行加密運算的過程。算法的加密變換包含異或運算和合成置換1\運算，其中合成置換1\運算是由線性變化和非線性變化t復合而成，即T乂) =1^"(.))。非線性變化t由4個并行的S盒構(gòu)成，S盒是固定的8比特輸入8比特輸出的變換；線性變化包含異或運算和左移運算。
解密算法與加密算法的結(jié)構(gòu)完全相同，但使用輪密鑰的次序與之相反。
加解密算法中的輪密鑰是加密密鑰MK通過輪密鑰擴展算法生成。該擴展算法的基本結(jié)構(gòu)也與加解密算法相同，同樣包含異或運算和合成置換T2運算。其中合成置換T2運算與加密算法中的合成置換l運算基本相同，僅僅將其中的線性變化修改為k，線性變化1^同樣包含異或運算和左移運算，形式略有不同。 實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)中存在多種實現(xiàn)方案，但這些方案大多基于以下架構(gòu)包括輪密鑰擴展模塊、控制模塊和加解密模塊。以加密操作為例，首先由輪密鑰擴展模塊讀入加密密鑰MK、系統(tǒng)參數(shù)FK和固定參數(shù)CK，其中FK和CK是固定值，讀入的所有參數(shù)經(jīng)過32輪迭代運算產(chǎn)生32個輪密鑰并存儲。當有明文進入加解密模塊，則加密運算啟動，并在每輪迭代中讀入相應(yīng)輪密鑰，直至完成32輪迭代加密操作，最終輸出密文。不同方案的區(qū)別在于加解密模塊的實現(xiàn)上。如果簡單按照算法中的操作，每一組明文都要經(jīng)過32輪迭代才能完成加密，而實際應(yīng)用中的時鐘頻率一般都比較低，從而導致單位時間內(nèi)加密的數(shù)據(jù)量少，效率低。如果強行提高時鐘頻率，又會給系統(tǒng)帶來較大的干擾，給集成電路芯片設(shè)計帶來困難。因此技術(shù)人員設(shè)計出了不同的加密運算結(jié)構(gòu)以減少循環(huán)次數(shù)，提高加密效率。比如一輪循環(huán)中加入多個輪函數(shù)F，從而達到減少迭代次數(shù)的目的，只要保持輪函數(shù)F的個數(shù)與迭代次數(shù)的乘積是32即可。還可以在各輪函數(shù)F之間插入寄存器形成流水結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)在同一時間內(nèi)可以對多組數(shù)據(jù)進行加解密運算。 但從系統(tǒng)全局的結(jié)構(gòu)考慮，加解密模塊和輪密鑰擴展模塊在功能上有較大的相似性，現(xiàn)有技術(shù)仍然使用兩個單獨的模塊來分別實現(xiàn)輪密鑰擴展以及加解密功能，使得系統(tǒng)在采用流水線結(jié)構(gòu)的情況下部件冗余度較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)，在采用流水線結(jié)構(gòu)的情況下降低系統(tǒng)的部件冗余度。 由于實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)中加解密模塊和輪密鑰擴展模塊功能存在較大的相似性，為了降低部件冗余度，本發(fā)明基于模塊復用的思想提出一種實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)，包括第一級流水線、第二級流水線、第三級流水線； 所述第一級流水線包含第一運算模塊和第一存儲模塊；所述第二級流水線包含第二運算模塊和第二存儲模塊；所述第三級流水線包含第三運算模塊和第三存儲模塊；
所述各級流水線的存儲模塊都包含控制參數(shù)區(qū)域、輸入數(shù)據(jù)區(qū)域和運算數(shù)據(jù)區(qū)域；所述控制參數(shù)區(qū)域用于存儲控制參數(shù)，該控制參數(shù)指示工作模式和迭代輪次；所述輸入數(shù)據(jù)區(qū)域用于存儲輸入數(shù)據(jù)，所述第一級流水線接收對應(yīng)輪次的輸入數(shù)據(jù)，并保存于各級流水線的存儲模塊的輸入數(shù)據(jù)區(qū)域；所述運算數(shù)據(jù)區(qū)域用于存儲運算數(shù)據(jù)，各級流水線的運算輸出結(jié)果保存于各級流水線的存儲模塊的運算數(shù)據(jù)區(qū)域； 所述工作模式包括密鑰擴展模式和加解密模式；所述工作模式由第一輪次的輸入數(shù)據(jù)決定，若輸入數(shù)據(jù)為加密密鑰則處于密鑰擴展模式，若輸入數(shù)據(jù)為明文或密文則處于加解密模式； 所述第一運算模塊將輸入數(shù)據(jù)與系統(tǒng)參數(shù)或零參數(shù)執(zhí)行異或操作，并將運算輸出結(jié)果保存于所述第一存儲模塊；所述第二運算模塊接收第一存儲模塊的運算輸出結(jié)果，然后將該運算輸出結(jié)果與固定參數(shù)或輪密鑰執(zhí)行異或操作，再進行S盒查表操作，并將運算輸出結(jié)果保存于所述第二存儲模塊；所述第三運算模塊接收第二存儲模塊的運算輸出結(jié)果，然后對該運算輸出結(jié)果執(zhí)行循環(huán)左移操作，再執(zhí)行異或運算，并將運算輸出結(jié)果保存于所述第三存儲模塊； 所述第二運算模塊在所述第三級流水線處于密鑰擴展模式時根據(jù)所述第三存儲模塊存儲的運算輸出結(jié)果來更新輪密鑰； 所述第三級流水線把運算輸出結(jié)果發(fā)送至第一級流水線進入下一迭代輪次，此時復制工作模式并將迭代輪次遞增；如果所述第三級流水線處于最后一個迭代輪次，則不把運算輸出結(jié)果發(fā)送至第一級流水線；若該最后一個迭代輪次為加解密模式下的最后一個迭代輪次，則把所述第三級流水線的運算輸出結(jié)果作為加解密運算結(jié)果。 本發(fā)明提出的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)，采用包括第一級流水線、第二級流水線和第三級流水線組成的流水線架構(gòu)，通過第一運算模塊、第二運算模塊和第三運算模塊這三個運算模塊，實現(xiàn)加解密運算和輪密鑰擴展運算的功能復用。雖然技術(shù)方案中存在三個運算模塊，但由于各個模塊僅完成運算的一部分，實質(zhì)相當于每個模塊僅為現(xiàn)有技術(shù)中輪函數(shù)模塊的三分之一，可以視為本發(fā)明僅采用一個復用的輪函數(shù)模塊，就可實現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中需要兩個單獨的輪函數(shù)模塊才能實現(xiàn)的功能，直接降低了部件冗余度；并且本方案在采用流水線架構(gòu)下可以實現(xiàn)加解密處理的32次輪函數(shù)運算與輪密鑰擴展的32次輪函數(shù)運算穿插進行，即在每個周期用戶可以并發(fā)執(zhí)行3個運算，其中每一個運算可以為加解密運算或密鑰擴展運算。


圖1為一個標準加密模塊的示意 圖2是一種輪密鑰擴展模塊的示意 圖3是實施例1的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)中三級流水線的內(nèi)部各模塊示意圖； 圖4為實施例2的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)第一級流水線的信號走向示意圖； 圖5為實施例2的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)第二級流水線的信號走向示意圖； 圖6為實施例2的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)第三級流水線的信號走向示意圖。
具體實施例方式
SMS4算法是國內(nèi)應(yīng)用于無線局域網(wǎng)領(lǐng)域的重要商用密碼算法，其中加解密算法和密鑰擴展算法都采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)。解密算法和加密算法的結(jié)構(gòu)相同，只是輪密鑰的使用順序相反。 下面對加解密算法進行簡要介紹 設(shè)明文輸入為X。， &， X2， X3 ;密文輸入為Y。， Yp Y2， Y3 ;輪密鑰為rki，其中i = 0，1，2， ... ，31。用Z/表示e比特的二進制數(shù)集，則X， Y， rki都是32比特的二進制數(shù)集，用X，IX. eZf表示。算法的加解密變換為 《+4 = f(^,Xw，z,+2， z/+3, a)=《④《e jr,+2 jr,+3 0 ,a,),/ = o,i，".，3i F為輪函數(shù)，進行如上的32輪迭代運算后，得到密文
(HH) = (X35， X34， X33， X32) 解密變換與加密變換結(jié)構(gòu)相同，僅是輪密鑰的使用順序不同。當加密時輪密鑰的使用順序為rk。， rkn . . . ， rk31 ;解密時輪密鑰的使用順序為rk31， rk3。， . . . ， rk。。
合成置換1\是一個可逆變換，由非線性變換t和線性變換復合而成，即1\ (.)=1^(1 (.))。非線性變換t由4個并行的S盒構(gòu)成，S盒為固定的8比特輸入8比特輸出的變換，記為Sbox(.)。 設(shè)輸入為A = (a" a2， a3， a4)，輸出為B = (t^， b2， b3， b4)，其中，a" a2， a3， a4， b"b2， b3，、都是8比特二進制數(shù)，用A，a2,"3,"4,^，^，63,力4 sZ^表示。非線性變換t和線性變換k分別為 B = t (A) = (Sbox (a0) ， Sbox (a》，Sbox (a2) ， Sbox (a3)); c = A (萬)=5< 2)④ < 10) (萬《< 18)④(5 < 24)。 上述算法采用了比特異或和比特循環(huán)左移的基本運算；用e表示比特異或運算，用<<< i表示比特循環(huán)左移i位。 圖1為一個標準加密模塊的示意圖，由數(shù)據(jù)選擇器、輪函數(shù)F部件和寄存器組成。以加密過程為例數(shù)據(jù)選擇器判斷當前數(shù)據(jù)組的加密是否完成，若已經(jīng)完成則讀入新明文進行加密；若未完成則將上一輪的運算結(jié)果送入下一輪繼續(xù)進行加密運算。輪函數(shù)F部件是加解密模塊的核心部件，讀入待加密數(shù)據(jù)和輪密鑰進行加密運算，具體加密步驟如上文所述。寄存器是暫存上一輪的加密結(jié)果，直至32輪迭代加解密運算完成時輸出密文。
下面對輪密鑰擴展算法進行簡要介紹 加解密算法中的輪密鑰由加密密鑰通過密鑰擴展算法生成，該算法基本結(jié)構(gòu)與加
解密算法相同，也是經(jīng)過32輪迭代運算后生成32個輪密鑰。加密密鑰MK = (MK。， ， MK2 ， MK3) ， e Z232 ， i = 0 ， 1 ， 2 ， 3 ;
令《sZf，i = O，l， ... ，35，輪密鑰為A, eZ232 ， i = O，l， ... ，31，則輪密鑰擴展
算法為(《o' A,〖2, A )=(縦。
FiiT。 ， 十, M《2十尸《2, MA十13)
rA =《+4 =尸'(《,,^+1,《+2,尺,+3，(^)=《時2(《+1 《+2 e《+3 CX》,/ = 0，1,....31
T2變換與加解密算法中的1\基本相同，僅是線性變換修改為L2。設(shè)輸入為B， 輸出為C，則線性變換L2為C-Z2⑨-5①(S《〈13)④(S〈《23)。FK為系統(tǒng)參數(shù)FK。= (A3B1BAC6) ，F(xiàn)Ki = (56AA3350) ， FK2 = (677D9197) ， FK3 = (B27022DC)，這些參數(shù)都是16進 制表示；CK是固定參數(shù)取值。 圖2是一種輪密鑰擴展模塊的示意圖，包括數(shù)據(jù)選擇器及異或運算器、 輪函數(shù)F—部件、寄存器三部分組成。輪密鑰擴展模塊的第一部分包含數(shù)據(jù)選擇 器和異或運算器，數(shù)據(jù)選擇器判斷當前輪密鑰組是否完全生成，若已完全生成則 接受新輸入的加密密鑰，否則將上輪運算結(jié)果作為輸入數(shù)據(jù)進行下一輪輪密鑰生 成運算；異或運算器對輸入的加密密鑰MK和系統(tǒng)參數(shù)FK進行異或運算，即完成 (尺o,&,《2,《3)-(Mii:。 eF《。,MA i^,MT^ F《2,M《3 0i^3)的運算。輪函數(shù)F—部 件讀入MK和FK的異或結(jié)果K以及CK，經(jīng)32輪迭代運算產(chǎn)生32個輪密鑰，具體運算過程如 上所述。寄存器依次儲存每一輪運算的輪密鑰，直至運算結(jié)束后輸出32個輪密鑰。
從加解密算法和輪密鑰擴展算法的介紹中可以看出，加解密模塊和輪密鑰擴展模 塊存在較多功能相同的部件，可以從模塊復用角度來降低系統(tǒng)冗余度；并且輪密鑰運算和 加解密運算在時間上存在先后性，可以通過功能切換實現(xiàn)模塊復用。
實施例1 : 本發(fā)明提出的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)，包括第一級流水線、第二級流水線、 第三級流水線；圖3為三級流水線的內(nèi)部各模塊示意圖，其中第一級流水線包含第一運算 模塊和第一存儲模塊，第二級流水線包含第二運算模塊和第二存儲模塊，第三級流水線包 含第三運算模塊和第三存儲模塊。 各級流水線的存儲模塊都包含控制參數(shù)區(qū)域、輸入數(shù)據(jù)區(qū)域和運算數(shù)據(jù)區(qū)域，其 中控制參數(shù)區(qū)域用于存儲控制參數(shù)，輸入數(shù)據(jù)區(qū)域用于存儲輸入數(shù)據(jù)，運算數(shù)據(jù)區(qū)域用于 存儲運算數(shù)據(jù)；控制參數(shù)包括工作模式和迭代輪次，各級流水線可以處于密鑰擴展模式和 加解密模式，這由第一輪次的輸入數(shù)據(jù)決定，若輸入數(shù)據(jù)為加密密鑰則處于密鑰擴展模式， 若輸入數(shù)據(jù)為明文或密文則處于加解密模式。 本實施例1的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)的工作過程如下，對于加解密運算則全 部以加密過程來進行描述 當系統(tǒng)執(zhí)行的密鑰擴展運算或加解密運算總數(shù)少于3個時，可以向系統(tǒng)輸入新的 運算操作。第一級流水線接收第一輪次的輸入數(shù)據(jù)，將其保存于各級流水線的存儲模塊的 輸入數(shù)據(jù)區(qū)域，并根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的類型確定工作模式，保存于控制參數(shù)區(qū)域，同時將控制參 數(shù)區(qū)域中的迭代輪次設(shè)定為1。 第一級流水線中的第一運算模塊將輸入數(shù)據(jù)與系統(tǒng)參數(shù)或零參數(shù)執(zhí)行異或操作，
7第一存儲模塊對運算結(jié)果進行存儲。第二運算模塊接收第一存儲模塊的運算輸出結(jié)果，然 后將該運算輸出結(jié)果與固定參數(shù)或輪密鑰執(zhí)行異或操作，再進行S盒查表操作，第二存儲 模塊對運算結(jié)果進行存儲。第三運算模塊接收第二存儲模塊的運算輸出結(jié)果，然后對該運 算輸出結(jié)果執(zhí)行循環(huán)左移操作，再執(zhí)行異或運算，第三存儲模塊對運算結(jié)果進行存儲。如果 第三級流水線處于密鑰擴展模式，第三存儲模塊存儲的運算輸出結(jié)果應(yīng)該被送往第二運算 模塊，用于更新輪密鑰信息。 第一級流水線中的第一運算模塊執(zhí)行的操作與工作模式有關(guān)。若處于密鑰擴 展模式，輸入數(shù)據(jù)類型為加密密鑰，則第一運算模塊選擇系統(tǒng)參數(shù)來進行異或運算，以 MK。， M&， MK2， MKs表示加密密鑰，F(xiàn)K。， F&， FK2， FK3表示系統(tǒng)參數(shù)，則異或運算輸出表示為 (尺。，A，K2，/Q = (MK。
i^。,M^④i^，M^ @i^2,MK3 。若處于加解密模式，
輸入數(shù)據(jù)類型為明文、密文，則第一運算模塊選擇零參數(shù)來進行異或運算，雖然與零異或的 數(shù)據(jù)沒有變化，但使得第一運算模塊在兩種工作模式下具有類似的結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)復用。
第二級流水線中的第二運算模塊執(zhí)行的操作與工作模式有關(guān)。若處于加解密模 式，接收的數(shù)據(jù)類型為加解密中間數(shù)據(jù)，以加密過程為例，用Xi， Xi+1， Xi+2， Xi+3表示明文或進 行加密運算的加解密中間數(shù)據(jù)，rki表示輪密鑰，A表示輸出，則第二運算模塊選擇輪密鑰來 進行異或運算^ = e X,+2 0《+3 rl,，再將A作為輸入進行S盒查表運算，得到S盒查 表運算結(jié)果B，然后第二存儲模塊對B進行存儲。若處于密鑰擴展模式，接收的數(shù)據(jù)類型為 輪密鑰擴展中間數(shù)據(jù)，以&， Ki+1 ， Ki+2， Ki+3表示輪密鑰擴展中間數(shù)據(jù)，CKi表示固定參數(shù)，A表 示輸出，則第二運算模塊選擇固定參數(shù)進行異或運算^ = 《,.+2 尺,-+3 ，并將A 作為輸入進行S盒查表運算，得到查表運算結(jié)果B，然后第二存儲模塊對B進行存儲。類似 的，第二運算模塊在不同的工作模式中使用的參數(shù)包括輪密鑰和固定參數(shù)，所以需要通過 數(shù)據(jù)選擇來選取，這樣既保證模塊的復用，又保證各種功能的實現(xiàn)。 第三級流水線中的第三運算模塊執(zhí)行的操作與工作模式有關(guān)。若處于加解
密模式，接收的數(shù)據(jù)類型為加解密中間數(shù)據(jù)，則對加解密中間數(shù)據(jù)執(zhí)行循環(huán)左移及異 或運算C-萬④C8 < 2) (5 <10) (S <18) (5 <24),然后再進行異或運算
《+4 =《十c，第三存儲模塊將異或運算的輸出Xi+4進行存儲。若處于密鑰擴展模式，接
收的數(shù)據(jù)類型為輪密鑰擴展中間數(shù)據(jù)，則對輪密鑰擴展中間數(shù)據(jù)執(zhí)行循環(huán)左移及異或運算
。=^@(^ <13，(^< 23)，然后再進行異或運算^+4=《@0滯三存儲模塊將異或運
算的輸出K^進行存儲。 當輸入數(shù)據(jù)分別經(jīng)過三級流水線，即完成一次迭代操作，第三級流水線將把運算 輸出結(jié)果發(fā)送至第一級流水線進入下一迭代輪次，此時工作模式應(yīng)維持不變，而迭代輪次 應(yīng)遞增。上述迭代過程需循環(huán)執(zhí)行32次，才能完成一次密鑰擴展運算或加密、解密運算。當 第三級流水線所處理的迭代輪次等于32，則不把運算輸出結(jié)果發(fā)送至第一級流水線，此時 若處于加解密模式則第三存儲模塊保存了加解密運算的輸出結(jié)果。而對于密鑰擴展模式， 第三存儲模塊存儲的運算輸出結(jié)果在每一次迭代結(jié)束時已被更新至第二運算模塊的輪密 鑰參數(shù)區(qū)域。
實施例2 : 本實施例的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)，包括第一級流水線、第二級流水線、第 三級流水線；圖3為三級流水線的內(nèi)部各模塊示意圖，其中第一級流水線包含第一運算模塊和第一存儲模塊，第二級流水線包含第二運算模塊和第二存儲模塊，第三級流水線包含 第三運算模塊和第三存儲模塊。 各級流水線的存儲模塊都包含控制參數(shù)區(qū)域、輸入數(shù)據(jù)區(qū)域和運算數(shù)據(jù)區(qū)域，其 中控制參數(shù)區(qū)域用于存儲控制參數(shù)，輸入數(shù)據(jù)區(qū)域用于存儲輸入數(shù)據(jù)，運算數(shù)據(jù)區(qū)域用于 存儲運算數(shù)據(jù)；控制參數(shù)包括工作模式和迭代輪次，各級流水線可以處于密鑰擴展模式和 加解密模式，這由第一輪次的輸入數(shù)據(jù)決定，若輸入數(shù)據(jù)為加密密鑰則處于密鑰擴展模式， 若輸入數(shù)據(jù)為明文或密文則處于加解密模式。 第一運算模塊、第二運算模塊和第三運算模塊包含多種實現(xiàn)方式，在本實施例中 第一運算模塊包括第一數(shù)據(jù)選擇部件和第一異或部件，第二運算模塊包括第二數(shù)據(jù)選擇部 件、第二異或部件和S盒部件，第三運算模塊包括第三數(shù)據(jù)選擇部件、循環(huán)左移部件和第三 異或部件。 第一數(shù)據(jù)選擇部件、第二數(shù)據(jù)選擇部件和第三數(shù)據(jù)選擇部件都是用于數(shù)據(jù)的選擇 的部件，并接收數(shù)據(jù)中的控制參數(shù)來獲取工作模式和迭代輪次。第一異或部件、第二異或部 件和第三異或部件都是用于數(shù)據(jù)的異或運算，參與異或運算的數(shù)據(jù)部分來自數(shù)據(jù)選擇器的 輸出結(jié)果，對于不同的工作模式，異或部件執(zhí)行相同的操作，而數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)工作模式來 為異或部件提供準確的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)不同的運算功能。S盒部件用于進行加解密中間數(shù)據(jù) 或輪密鑰擴展中間數(shù)據(jù)的S盒查表運算。循環(huán)左移部件用于對輸入數(shù)據(jù)進行包括循環(huán)左移 和異或的運算，循環(huán)左移部件先對輸入數(shù)據(jù)執(zhí)行四種帶參數(shù)的循環(huán)左移運算，該參數(shù)代表 左移的比特個數(shù)，再對四種循環(huán)左移結(jié)果執(zhí)行異或操作。 圖4為第一級流水線中的信號走向示意圖，圖5為第二級流水線中的信號走向示 意圖，圖6為第三級流水線中的信號走向示意圖。 本實施例2的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)的工作過程如下，對于加解密運算則全 部以加密過程來進行描述 當系統(tǒng)執(zhí)行的密鑰擴展運算或加解密運算總數(shù)少于3個時，可以向系統(tǒng)輸入新的 運算操作。第一級流水線接收第一輪次的輸入數(shù)據(jù)，將其保存于各級流水線的存儲模塊的 輸入數(shù)據(jù)區(qū)域，并根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的類型確定工作模式，保存于控制參數(shù)區(qū)域，同時將控制參 數(shù)區(qū)域中的迭代輪次設(shè)定為1。 第一級流水線中的第一運算模塊將輸入數(shù)據(jù)與系統(tǒng)參數(shù)或零參數(shù)執(zhí)行異或操作， 第一存儲模塊對運算結(jié)果進行存儲。第二運算模塊接收第一存儲模塊的運算輸出結(jié)果，然 后將該運算輸出結(jié)果與固定參數(shù)或輪密鑰執(zhí)行異或操作，再進行S盒查表操作，第二存儲 模塊對運算結(jié)果進行存儲。第三運算模塊接收第二存儲模塊的運算輸出結(jié)果，然后對該運 算輸出結(jié)果執(zhí)行循環(huán)左移操作，再執(zhí)行異或運算，第三存儲模塊對運算結(jié)果進行存儲。如果 第三級流水線處于密鑰擴展模式，第三存儲模塊存儲的運算輸出結(jié)果應(yīng)該被送往第二運算 模塊，用于更新輪密鑰信息。 第一級流水線中的第一運算模塊包括第一數(shù)據(jù)選擇部件和第一異或部 件，其中第一數(shù)據(jù)選擇部件根據(jù)控制參數(shù)中包含的工作模式來選擇其輸出，若處 于密鑰擴展模式則選擇系統(tǒng)參數(shù)，否則選擇零參數(shù)。第一異或部件將輸入數(shù)據(jù)與 第一數(shù)據(jù)選擇部件的輸出結(jié)果執(zhí)行異或操作。當處于密鑰擴展模式，輸入數(shù)據(jù) 類型為加密密鑰，此時第一數(shù)據(jù)選擇部件輸出系統(tǒng)參數(shù)，以MK。， MK" MK2， MK3表示加密密鑰，F(xiàn)K。， FK" FK2， FK3表示系統(tǒng)參數(shù)，則第 一 異或部件的運算輸出表示為
(a:。,A,a:2,K3)-(m^:。 0i^r。，m^④i^，m《2 0i^2,m夂3④fa)。當處于加解密模式，
輸入數(shù)據(jù)類型為明文、密文，此時第一數(shù)據(jù)選擇部件輸出零參數(shù)，則第一異或部件將明文、 密文與零異或，亦即保持原來的數(shù)據(jù)。上述數(shù)據(jù)選擇及數(shù)據(jù)運算過程使得第一運算模塊在 兩種工作模式下具有類似的結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)復用。 工作模式在第一級流水線時被確定。在經(jīng)過第一級流水線中的運算之后，處于密 鑰擴展模式下的運算數(shù)據(jù)則為輪密鑰擴展中間數(shù)據(jù)；處于加解密模式下的運算數(shù)據(jù)則為加
解密中間數(shù)據(jù)。 第二級流水線中的第二運算模塊包括第二數(shù)據(jù)選擇部件、第二異或部件和S盒部 件。其中第二數(shù)據(jù)選擇部件根據(jù)控制參數(shù)中包含的工作模式來選擇其輸出，若處于密鑰擴 展模式則選擇固定參數(shù)，否則根據(jù)迭代輪次來選擇對應(yīng)輪次的輪密鑰。第二異或部件將運 算數(shù)據(jù)與第二數(shù)據(jù)選擇部件的輸出結(jié)果執(zhí)行異或操作，S盒部件對第二異或部件的輸出結(jié) 果執(zhí)行S盒查表操作。當處于加解密模式，接收的數(shù)據(jù)類型為加解密中間數(shù)據(jù)，以加密過 程為例，此時第二數(shù)據(jù)選擇部件輸出對應(yīng)輪次的輪密鑰，用Xi， Xi+1， Xi+2， Xi+3表示明文或進 行加密運算的加解密中間數(shù)據(jù)，rki表示輪密鑰，A表示輸出，則第二異或部件首先執(zhí)行異 或運算爿=Zw④《+2 @ Z,+3④^ ，再將A作為輸入進行S盒查表運算，得到S盒查表運 算結(jié)果B，然后第二存儲模塊對B進行存儲。當處于密鑰擴展模式，接收的數(shù)據(jù)類型為輪密 鑰擴展中間數(shù)據(jù)，此時第二數(shù)據(jù)選擇部件輸出固定參數(shù)，以Ki， Ki+1， Ki+2， Ki+3表示輪密鑰擴 展中間數(shù)據(jù)，CKi表示固定參數(shù)，A表示輸出，則第二運算模塊選擇固定參數(shù)進行異或運算 x =《+1 e C《，并將A作為輸入進行S盒查表運算，得到查表運算結(jié)果B，然 后第二存儲模塊對B進行存儲。類似的，第二運算模塊在不同的工作模式中使用的參數(shù)包 括輪密鑰和固定參數(shù)，所以需要通過數(shù)據(jù)選擇來選取，這樣既保證模塊的復用，又保證各種 功能的實現(xiàn)。 第三級流水線中的第三運算模塊包括第三數(shù)據(jù)選擇部件、循環(huán)左移部件和第三 異或部件。其中第三數(shù)據(jù)選擇部件根據(jù)控制參數(shù)中包含的工作模式來選擇其輸出，若處 于密鑰擴展模式則選擇參數(shù){0，0， 13,23}，否則選擇參數(shù){2， 10， 18,24}。循環(huán)左移部件 對運算數(shù)據(jù)執(zhí)行循環(huán)左移和異或操作，先對運算數(shù)據(jù)執(zhí)行四種帶參數(shù)的循環(huán)左移運算，該 參數(shù)代表左移的比特個數(shù)，再對四種循環(huán)左移結(jié)果執(zhí)行異或操作，而循環(huán)左移部件的參數(shù) 來自第三數(shù)據(jù)選擇部件的輸出結(jié)果。第三異或部件將輸入數(shù)據(jù)與循環(huán)左移部件的輸出結(jié) 果執(zhí)行異或操作。當處于加解密模式，接收的數(shù)據(jù)類型為加解密中間數(shù)據(jù)，此時第三數(shù) 據(jù)選擇部件輸出參數(shù){2， 10， 18， 24}，循環(huán)左移部件將對加解密中間數(shù)據(jù)執(zhí)行循環(huán)左移及 異或運算C^萬十(萬《<2) (5 <10) (B < 18) (5 < 24),然后再進行異或運算 Z,+4 = C ，第三存儲模塊將異或運算的輸出Xi+4進行存儲。當處于密鑰擴展模式，接收
的數(shù)據(jù)類型為輪密鑰擴展中間數(shù)據(jù)，此時第三數(shù)據(jù)選擇部件輸出參數(shù){0，0， 13,23}，循環(huán)左 移部件將對輪密鑰擴展中間數(shù)據(jù)執(zhí)行循環(huán)左移及異或運算0 = 3 (萬<<<13) (^<<<23)，
然后再進行異或運算《+4 =《 C ，第三存儲模塊將異或運算的輸出Ki+4進行存儲。類似
的，第三運算模塊在不同的工作模式中通過數(shù)據(jù)選擇器來選定兩組參數(shù)之一，從而改變循
環(huán)左移部件的運算行為，從而實現(xiàn)既保證模塊的復用，又保證各種功能的實現(xiàn)。 當輸入數(shù)據(jù)分別經(jīng)過三級流水線，即完成一次迭代操作，第三級流水線將把運算輸出結(jié)果發(fā)送至第一級流水線進入下一迭代輪次，此時工作模式應(yīng)維持不變，而迭代輪次 應(yīng)遞增。上述迭代過程需循環(huán)執(zhí)行32次，才能完成一次密鑰擴展運算或加密、解密運算。當 第三級流水線所處理的迭代輪次等于32，則不把運算輸出結(jié)果發(fā)送至第一級流水線，此時 若處于加解密模式則第三存儲模塊保存了加解密運算的輸出結(jié)果。而對于密鑰擴展模式， 第三存儲模塊存儲的運算輸出結(jié)果在每一次迭代結(jié)束時已被更新至第二運算模塊的輪密 鑰參數(shù)區(qū)域。所以如圖6所示，第三存儲模塊的輸出包括輸出結(jié)果或中間結(jié)果或輪密鑰更 新數(shù)據(jù)；在加解密模式下，一般的運算中該第三存儲模塊輸出都為中間結(jié)果，只有迭代輪次 等于32時此時第三存儲模塊的輸出才為加解密輸出結(jié)果；而在密鑰擴展模式下，一般第三 存儲模塊的輸出作為輪密鑰更新數(shù)據(jù)，即輪密鑰擴展運算的輸出結(jié)果，被更新至第二運算 模塊的輪密鑰參數(shù)區(qū)域。 由于本發(fā)明是三級流水線結(jié)構(gòu)，可同時對3組數(shù)據(jù)進行運算，提高運算效率。由于 各級的數(shù)據(jù)處理時間不同，有可能造成本級的數(shù)據(jù)還未處理完成，上一級的數(shù)據(jù)就已經(jīng)進 入本級導致數(shù)據(jù)沖突。作為本實施例的進一步改進，該實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)還包括 時鐘模塊，時鐘模塊將產(chǎn)生的時鐘信號發(fā)送至第一存儲模塊、第二存儲模塊和第三存儲模 塊，三個存儲模塊都根據(jù)接收的時鐘信號進行數(shù)據(jù)的采樣并存儲運算結(jié)果。三個存儲模塊 都必須接收到新的時鐘信號，才能夠?qū)ι弦患墧?shù)據(jù)進行同步存儲。時鐘信號起到統(tǒng)一各級 工作節(jié)拍的作用，保證流水線各級的協(xié)調(diào)工作，使得系統(tǒng)工作效果更佳。
現(xiàn)有技術(shù)中實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)由加解密模塊和輪密鑰擴展模塊組成， 所占面積為2Sm+2S,2Sk，其中SM為數(shù)據(jù)選擇器面積，Sp為輪函數(shù)F的面積，S^為寄存器的面 積。每加密3組數(shù)據(jù)，所消耗的時間為3X32X (TM+TF+TK)，其中TM，TF，TK分別代表數(shù)據(jù)通過 數(shù)據(jù)選擇器、輪函數(shù)F和寄存器的時間。而本方案中，系統(tǒng)面積約為SM+SF+5SK，每加密3組 數(shù)據(jù)所消耗的時間為33X (TM+TF+3TK)。而在實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)中，輪函數(shù)在面積 和時間的開銷上都占主要部分，即SF > SM+SK， TF > TM+TK。因此，本發(fā)明的技術(shù)方案相對于 現(xiàn)有技術(shù)，在面積開銷減小約一半的情況下，時間開銷減小了 2/3。 以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明 的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)，其特征在于，包括第一級流水線、第二級流水線、第三級流水線；所述第一級流水線包含第一運算模塊和第一存儲模塊；所述第二級流水線包含第二運算模塊和第二存儲模塊；所述第三級流水線包含第三運算模塊和第三存儲模塊；所述各級流水線的存儲模塊都包含控制參數(shù)區(qū)域、輸入數(shù)據(jù)區(qū)域和運算數(shù)據(jù)區(qū)域；所述控制參數(shù)區(qū)域用于存儲控制參數(shù)，該控制參數(shù)用于指示工作模式和迭代輪次；所述輸入數(shù)據(jù)區(qū)域用于存儲輸入數(shù)據(jù)，所述第一級流水線接收對應(yīng)輪次的輸入數(shù)據(jù)，并保存于各級流水線的存儲模塊的輸入數(shù)據(jù)區(qū)域；所述運算數(shù)據(jù)區(qū)域用于存儲運算數(shù)據(jù)，各級流水線的運算輸出結(jié)果保存于各級流水線的存儲模塊的運算數(shù)據(jù)區(qū)域；所述工作模式包括密鑰擴展模式和加解密模式；所述工作模式由第一輪次的輸入數(shù)據(jù)決定，若輸入數(shù)據(jù)為加密密鑰則處于密鑰擴展模式，若輸入數(shù)據(jù)為明文或密文則處于加解密模式；所述第一運算模塊根據(jù)所述工作模式將輸入數(shù)據(jù)與系統(tǒng)參數(shù)或零參數(shù)執(zhí)行異或操作，并將運算輸出結(jié)果保存于所述第一存儲模塊；所述第二運算模塊接收第一存儲模塊的運算輸出結(jié)果，然后根據(jù)工作模式將該運算輸出結(jié)果與固定參數(shù)或輪密鑰執(zhí)行異或操作，再進行S盒查表操作，并將運算輸出結(jié)果保存于所述第二存儲模塊；所述第三運算模塊接收第二存儲模塊的運算輸出結(jié)果，然后根據(jù)工作模式對該運算輸出結(jié)果執(zhí)行循環(huán)左移操作，再執(zhí)行異或運算，并將運算輸出結(jié)果保存于所述第三存儲模塊；所述第二運算模塊在所述第三級流水線處于密鑰擴展模式時根據(jù)所述第三存儲模塊存儲的運算輸出結(jié)果來更新輪密鑰；所述第三級流水線把運算輸出結(jié)果發(fā)送至第一級流水線進入下一迭代輪次，復制工作模式并將迭代輪次遞增；如果所述第三級流水線處于最后一個 迭代輪次，則不把運算輸出結(jié)果發(fā)送至第一級流水線；若該最后一個迭代輪次為加解密模式下的最后一個迭代輪次，則把所述第三級流水線的運算輸出結(jié)果作為加解密運算結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)，其特征在于，所述第一運算模塊包括第一數(shù)據(jù)選擇部件和第一異或部件；所述第一數(shù)據(jù)選擇部件用于數(shù)據(jù)的選擇，選擇的依據(jù)是所述控制參數(shù)中包含的工作模式；若處于密鑰擴展模式，則選擇系統(tǒng)參數(shù)；若處于加解密模式，則選擇零參數(shù)。所述第一異或部件用于對所述輸入數(shù)據(jù)與所述第一數(shù)據(jù)選擇部件的輸出結(jié)果執(zhí)行異或操作。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)，其特征在于，所述第二運算模塊包括第二數(shù)據(jù)選擇部件、第二異或部件和S盒部件；所述第二數(shù)據(jù)選擇部件用于數(shù)據(jù)的選擇，其選擇依據(jù)是所述控制參數(shù)中包含的工作模式；若處于密鑰擴展模式，則選擇固定參數(shù)；若處于加解密模式，則選擇輪密鑰；選擇所述輪密鑰還依據(jù)所述控制參數(shù)中包含的迭代輪次；所述第二異或部件用于對所述運算數(shù)據(jù)與所述第二數(shù)據(jù)選擇部件的輸出結(jié)果執(zhí)行異或操作；所述S盒部件用于對所述第二異或部件的輸出結(jié)果執(zhí)行S盒查表操作。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)，其特征在于，所述第三運算模塊包括第三數(shù)據(jù)選擇部件、循環(huán)左移部件和第三異或部件；所述第三數(shù)據(jù)選擇部件用于數(shù)據(jù)的選擇，其選擇依據(jù)是控制參數(shù)中包含的工作模式；若處于密鑰擴展模式，則選擇參數(shù){0，0，13，23};若處于加解密模式，則選擇參數(shù){2，10，`18,24};所述循環(huán)左移部件用于對運算數(shù)據(jù)執(zhí)行循環(huán)左移和異或操作；所述循環(huán)左移部件先對運算數(shù)據(jù)執(zhí)行四種帶參數(shù)的循環(huán)左移運算，所述參數(shù)代表左移的比特個數(shù)，再對四種循環(huán)左移結(jié)果執(zhí)行異或操作；所述循環(huán)左移部件的參數(shù)來自所述第三數(shù)據(jù)選擇部件的輸出結(jié)果；所述第三異或部件用于對所述輸入數(shù)據(jù)與所述循環(huán)左移部件的輸出結(jié)果執(zhí)行異或操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于產(chǎn)生時鐘信號的時鐘模塊，所述時鐘模塊將產(chǎn)生的時鐘信號發(fā)送至所述第一存儲模塊、所述第二存儲模塊和所述第三存儲模塊，所述第一存儲模塊、所述第二存儲模塊和所述第三存儲模塊都根據(jù)接收的時鐘信號進行數(shù)據(jù)的存儲。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線局域網(wǎng)分組密碼算法領(lǐng)域，提出一種實現(xiàn)SMS4算法的加解密系統(tǒng)包含第一運算模塊和第一存儲模塊的第一級流水線、包含第二運算模塊和第二存儲模塊的第二級流水線、包含第三運算模塊和第三存儲模塊的第三級流水線。本發(fā)明的技術(shù)方案中三個運算模塊實現(xiàn)加解密運算和輪密鑰擴展運算的功能復用，直接降低了部件冗余度，并使得系統(tǒng)占用面積更小。而且由于本發(fā)明采用了三級流水線結(jié)構(gòu)，因此可以同時處理3組數(shù)據(jù)，這3組數(shù)據(jù)任何一組可以是加解密運算或輪密鑰擴展運算，提高了系統(tǒng)的效率。
文檔編號H04L9/06GK101764685SQ200910193308
公開日2010年6月30日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者張永強 申請人:廣州杰賽科技股份有限公司