隨著物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)和片上系統(tǒng)(System on a Chip,SoC)的不斷發(fā)展,除了超低功耗之外,物聯(lián)網(wǎng)芯片在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的要求也在不斷增多,數(shù)據(jù)安全便是其中之一。由于存在大量的信息交互,物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)芯片中需要集成加密電路,高級(jí)加密算法(Advanced Encryption Standard,AES)是目前最常用的分組密碼算法之一,但傳統(tǒng)128-bit AES電路的面積和功耗過(guò)高,不能滿(mǎn)足輕量級(jí)設(shè)備的使用。近幾年來(lái)提出的8-bit AES電路通過(guò)將數(shù)據(jù)通路從128-bit并行處理變?yōu)?-bit串行處理而降低了功耗和面積,但與此同時(shí)也大大降低了吞吐率。因而,在面向IoT應(yīng)用時(shí)仍面臨減小面積和提高吞吐率的兩大挑戰(zhàn)。基于此,本文提出面向IoT應(yīng)用的AES電路實(shí)現(xiàn)與能效優(yōu)化。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了兩種8-bit datapath AES電路。首先是針對(duì)面積優(yōu)化的單S核AES電路,用仿射變換S-Box核代替?zhèn)鹘y(tǒng)查找表S-Box核以降低功耗面積,優(yōu)化密鑰擴(kuò)展模塊和數(shù)據(jù)處理模塊執(zhí)行步驟以提高吞吐率以及優(yōu)化數(shù)據(jù)處理模塊中間寄存器數(shù)目以減小面積,最終以213個(gè)周期實(shí)現(xiàn)AES設(shè)計(jì)。其次是針對(duì)吞吐率優(yōu)化的雙S核AES電路,采用11周期實(shí)現(xiàn)密鑰擴(kuò)展和數(shù)據(jù)處理模塊并充分利用二者并行執(zhí)行的特性,以113個(gè)周期實(shí)現(xiàn)AES設(shè)計(jì)。然后提出針對(duì)8-bit AES電路的差分功耗攻擊,當(dāng)攻擊條數(shù)為3681條時(shí),揭示正確的密鑰。相對(duì)應(yīng)的防護(hù)方法為:通過(guò)離散時(shí)間點(diǎn)和隨機(jī)數(shù)據(jù)加密對(duì)S-Box核進(jìn)行處理,在Spartan-6 XC6SLX75 FPGA上實(shí)現(xiàn)了8-bit AES和防護(hù)方案,最終達(dá)到8萬(wàn)條不被攻破的效果。最后,采用全數(shù)字VCS(Verilog Compile Simulator)仿真,并使用做完后端后的文件進(jìn)行延時(shí)反標(biāo),對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本文采用TSMC 28nm CMOS工藝完成了整個(gè)電路從RTL代碼到后端的設(shè)計(jì)。在低電壓(0.5V)下,單S核AES電路和雙S核AES電路的最高工作頻率為50MHz,版圖面積分別為0.0028和0.00309mm~2。與《高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)算法》書(shū)上所提的常規(guī)8-bit AES電路相比,兩種設(shè)計(jì)的面積分別減少42.08%和36.27%,功耗收益分別達(dá)到37.15%和31.91%(低電壓下)。此外,兩種設(shè)計(jì)的能效面積比分別為0.278 Gbps/(W·μm~2)和0.374 Gbps/(W·μm~2),優(yōu)于目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)設(shè)計(jì)。概言之,本文提出了分別面向面積和吞吐率優(yōu)化的兩種設(shè)計(jì),能夠有效降低8-bit AES電路的面積,提高能效。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TP391.44;TN929.5;TN47
【部分圖文】：

圖 1-1 物聯(lián)網(wǎng)芯片通用架構(gòu)人們上傳到網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)需要有安全保障，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展引起了人們對(duì)安全性的擔(dān)憂(yōu)如現(xiàn)在日漸普及的智能家居、監(jiān)測(cè)身體狀況和健康的可穿戴設(shè)備都包含個(gè)人和家庭的相關(guān)信息果不做好安全防護(hù)措施，2016 年發(fā)生的小米手環(huán)信息泄密事件就會(huì)重演。網(wǎng)絡(luò)信息安全是信息安全中一個(gè)重要的概念，為了保障信息安全，當(dāng)下多種算法如高級(jí)加密（Advanced Encryption Standard，AES），國(guó)際數(shù)據(jù)加密算法（International Data EncryptionAlgoritDEA）等都是為了保障信息安全，而這些算法都是以加密技術(shù)為基礎(chǔ)的。本文主要探討物聯(lián)網(wǎng)如助加密技術(shù)保障信息安全[2,3]。

jndael 算法，是一種對(duì)稱(chēng)分組密碼，數(shù)據(jù)以 128 位理不斷的迭代。這種算法允許三種不同的密鑰長(zhǎng)對(duì)應(yīng)加密輪次數(shù)分別為 10 輪、12 輪和 14 輪。從的“回合密鑰”。下面的討論將以密鑰長(zhǎng)度為 12鑰來(lái)加密和解密需要保護(hù)的數(shù)據(jù)。AES 算法加密包括一個(gè)置換和三個(gè)代替[4]：oundKey），將每輪結(jié)束后的產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)與輪密stitution），又稱(chēng) Subbytes，是非線性的可逆的字節(jié)節(jié)到字節(jié)的代替（后文用 S-Box 運(yùn)算來(lái)表示字節(jié)不是輸入的線性數(shù)學(xué)函數(shù)。otation），又稱(chēng) Shiftrows，是用來(lái)對(duì)經(jīng)過(guò)字節(jié)變換olumn），對(duì)數(shù)組中的每一列數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，即在有定的矩陣相乘。

第二章 傳統(tǒng) 128-bit AES 和 8-bit AES 設(shè)計(jì)概述行移位變換基本原理位變換的作用是，將中間數(shù)據(jù)的某個(gè)字節(jié)從某一列移動(dòng)到另一列，從而保證每列數(shù)。圖 2-2 描述了加密過(guò)程中的行移位變換。矩陣中的第一行保持不變；矩陣中第二；矩陣中第三行循環(huán)左移兩位；矩陣中第四行循環(huán)左移三位。即，每一行循環(huán)左移減一。
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