利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)RC6算法的設(shè)計(jì)與研究

引 言

　　RC6是作為AES(Advanced Encryption Standard)的候選算法提交給NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局)的一種新的分組密碼。它是在RC5的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，以更好地符合AES的要求，且提高了安全性，增強(qiáng)了性能。根據(jù)AES的要求，一個(gè)分組密碼必須處理128位輸入／輸出數(shù)據(jù)。盡管RC5是一個(gè)非?？斓姆纸M密碼，但它處理128位分組塊時(shí)用了2個(gè)64位工作寄存器；而AES目前在講究效率和簡(jiǎn)潔方面不支持64位操作，于是RC6修正這個(gè)錯(cuò)誤，使用4個(gè)32位寄存器而不是2個(gè)64位寄存器，以更好地實(shí)現(xiàn)加解密。利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)RC6算法，可以提高運(yùn)算速度。芯片設(shè)計(jì)為RC6算法處理器，輔助計(jì)算機(jī)處理器完成加解密操作，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)加解密的分析和研究。因此，此芯片可以作為協(xié)處理器來(lái)看待。

　　1 RC6算法

　　1.1 RC6算法概述

　　RC6秉承了RC5設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、廣泛使用數(shù)據(jù)相關(guān)的循環(huán)移位思想，同時(shí)增強(qiáng)了抵抗攻擊的能力，改進(jìn)了RC5中循環(huán)移位的位數(shù)不依賴于寄存器中所有位的不足。RC6新的特色是輸入的明文由原先2個(gè)區(qū)塊擴(kuò)展為4個(gè)，另外在運(yùn)算方面則是使用了整數(shù)乘法，而整數(shù)乘法的使用則在每一個(gè)運(yùn)算回合中增加了擴(kuò)散(diffusion)的行為，并且使得即使很少的回合數(shù)也有很高的安全性。同時(shí)，RC6中所用的操作可以在大部分處理器上高效率地實(shí)現(xiàn)，提高了加密速度。RC6是一種安全、架構(gòu)完整而且簡(jiǎn)單的區(qū)塊加密法。它提供了較好的測(cè)試結(jié)果和參數(shù)方面相當(dāng)大的彈性。RC6可以抵抗所有已知的攻擊，能夠提供AES所要求的安全性，可以說(shuō)是近幾年來(lái)相當(dāng)優(yōu)秀的一種加密法。

　　RC6不再使用2個(gè)64位工作寄存器，而是用4個(gè)32位寄存器。這就使得在每次循環(huán)中要進(jìn)行2次循環(huán)移位操作，讓更多的數(shù)據(jù)位來(lái)決定循環(huán)次數(shù)。RC6把明文分別存在4個(gè)區(qū)塊A、B、C、D，剛開(kāi)始分別包含明文的初始值，加密運(yùn)算后則為4個(gè)密文的輸出值。

　　1．2 RC6的工作原理

　　RC6是參數(shù)變量的分組算法，實(shí)際上是由3個(gè)參數(shù)確定的一個(gè)加密算法族。一個(gè)特定的RC6可以表示為RC6一w／r／b，3個(gè)參數(shù)w、r和b分別為字長(zhǎng)、循環(huán)次數(shù)和密鑰長(zhǎng)度。AES中，w=32，r=20。本設(shè)計(jì)中，密鑰長(zhǎng)度b為128位(16字節(jié))。RC6用4個(gè)w位的寄存器A、B、C、D來(lái)存放輸入的明文和輸出的密文。明文和密文的第一個(gè)字節(jié)存放在A的最低字節(jié)，經(jīng)過(guò)加解密后，得到的明文和密文的最后一個(gè)字節(jié)存放在D的最高字節(jié)。

　　1．2．1 RC6一w／r／b基本運(yùn)算

　　基本運(yùn)算共有如下6種：①模2w加算運(yùn)算，表示為“+”；②模2w減法運(yùn)算，表示為“一”；③逐位異或運(yùn)算，表示為“⊕”；④循環(huán)左移，字a循環(huán)左移b位表示為“ab”；⑤循環(huán)右移，字a循環(huán)右移b位表示為“a>>>b”；⑥模2w乘法，表示為“×”。

　1．2．2 RC6一w／r／b加密算法

　　輸入：明文存放在4個(gè)w位輸入寄存器A、B、C、D