摘要 AES-Rijndael算法是美國取代DES的新一代分組加密算法標準，也是事實上的國際標準。本文在可重構平臺上針對 128位密鑰長度AES算法的流水線性能優(yōu)化技術進行了研究，通過對基本運算優(yōu)化、循環(huán)展開、輪內流水線、輪間流水線、混合多級流水線結構優(yōu)化等方法的討論和實現(xiàn)，對比不同優(yōu)化方法的優(yōu)缺點及適用環(huán)境。實驗表明，不同結構的設計，其加密性能存在很大差異。其中，混合多級流水線結構的加密性能達到27．1 Gb／s的速率，為目前國內外相關研究的較好結果。
關鍵詞 高級加密標準 可重構計算 流水線 結構優(yōu)化 AES-Rijndael算法

1 AES-RijndaeI算法總體結構
AES-Rijndael算法是一個替換一置換網絡結構的分組密碼算法。它的設計基于有限域上的多項式運算，密碼算法的主體結構由4部分組成：SubBytes，進行S-盒非線性變換；ShiftRows，狀態(tài)矩陣的水平置換；MixCol-umns，執(zhí)行有限域GF(28)上的矩陣乘運算；AddRoundK-eys，通過簡單異或運算使子密鑰與狀態(tài)矩陣發(fā)生聯(lián)系。算法經過Nr輪變換，將一個128位明文分組加密成為一個128位的密文分組。這里Nr是一個與密鑰長度相關的常數。對于128位密鑰的情況，Nr的值為 10。除了最后一輪外，其他每一輪加密過程都相同。最后一輪加密中省去了 MixColumns變換，以抵抗某些特殊密碼分析。

2 循環(huán)展開和流水線優(yōu)化
對于前述AES加密過程的實現(xiàn)，如圖1(a)所示，我們針對可重構平臺下4個變換函數的實現(xiàn)方法進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的加密過程時鐘頻率達到了127．9 MHz。這樣，對于一個128位明文分組的加密需要11個時鐘周期，因此，其加密速率為1．49 Gb／s。這一速率已經能滿足絕大多數應用的需要，然而為了滿足一些更高速應用的需要，可以通過改變加密處理過程體系結構進一步優(yōu)化相應設計。要提高加密速率，最簡單的方法是使用循環(huán)展開技術將迭代加密的結構展開，并將多份加密輪變換電路的輸入輸出首尾相連，如圖1(b)所示。這樣可以節(jié)省寄存器建立延遲和選路器的傳輸延遲時間，從而加快加密變換處理的速度。然而，這種方法會消耗大量的邏輯資源，并且性能提高得不多。根據我們的實驗，循環(huán)展開后的芯片速度比迭代結構增加了17％，然而所消耗的邏輯資源卻是迭代結構的6倍。因此，這一優(yōu)化方法的效率是極其低的；只有在對性能要求很高，但資源又充分的情況下才能采用。
另外一種優(yōu)化方法是使用流水線技術。它是將關鍵執(zhí)行路徑切分為多級短的執(zhí)行步，并在各執(zhí)行步電路間插入寄存器存儲上一級執(zhí)行結果。這樣，雖然關鍵執(zhí)行路徑沒有變短，但電路可以在一個較少的時鐘周期內同時處理多個數據塊的加密，從而提高了并發(fā)程度，因此，加密速率也就能大大提高。在設計加密算法處理流水線的過程中，最常用的是輪間流水線技術。輪問流水線技術是將循環(huán)展開結構按各加密輪切分為一系列的流水線，其中每一輪加密變換為一級。在流水線的各級之間插入寄存器，寄存器由同步時鐘來控制，每次時鐘觸發(fā)，寄存器就保存上一次的變換結果，同時將之前保存的結果送流水線處理部件處理并將結果保存到下一級寄存器中，如圖1(c)所示。根據我們的實驗結果(見圖3)，輪間流水線結構的設計，加密速率是迭代結構的12倍；同時資源消耗也大量增長，是迭代結構的7倍。由實驗結果可見，輪間流水線技術是一種對分組加密算法很有效的優(yōu)化技術。特別是當算法中加密輪函數較為簡單的情況下，輪間流水線技術是相當適用的；但是，對于一些輪函數復雜，加密輪數較少的算法，輪問流水線技術的優(yōu)化效果就不是很突出了。