1. 引言

隨著國際空間任務交叉合作增加，應用地面公共數據網絡進行空間任務控制和數據監 測越來越多，空間飛行器迫切需要數據安全保護機制［1］。隨著計算機技術的迅速發展，原 來衛星（如SPOT 衛星）上使用的DES 加密算法已能夠被窮舉法破譯。為此，美國國家標準 和技術協會（NIST）于2000 年10 月2 日宣布采用Rijndael 作為下一代先進加密標準（AES） 的正式算法［2］。2004 年，CCSDS（國際空間數據系統咨詢委員會）建議將AES 作為空間 數據加密算法標準［3］［4］。目前，AES 加密算法已在NASA、FBI、CCSDS 等機構得到廣泛 應用。

隨著我國空間技術的快速發展，未來需要考慮空間數據安全性設計。傳統的星上加密 需要一個專門的裝置，占用的體積、功耗等資源均較大。AES 算法適用于軟硬件資源有限 的應用中，同時與軟件加密相比，采用FPGA 進行物理加密具有很好的防攻擊性，實時性好， 可實現高速數據處理，資源占用非常小，是空間數據加密的重要發展方向。

本文對AES 算法進行了研究，并在一片FPGA 上進行了仿真分析，確定了適合空間應 用的AES 算法。

2. AES 加密算法及優化實現

2.1. AES 加密算法

AES 是一種可變密鑰長度的迭代分組加密算法，明文被分成以128bit 為一塊進行加密， 密鑰長度可分別為128bit、192bit、256bit。

AES 加密算法包括密鑰擴展過程和加密過程。加密過程又包括一個作為初始輪的初始密鑰加法（AddRoundKey），接著進行若干次輪變換（Round），最后再使用一個輪變換（FinalRound），如圖2.1.1 所示。

明文可以表示為4*4B 的狀態矩陣，加密的每一輪是對狀態矩陣進行操作，得到中間結 果狀態矩陣。初始變換指的是狀態矩陣中每一列與初始密鑰進行加運算。輪變換的每一輪 包括字節替換（SubBytes）、行移位（Shiftrows）、列混合（Mixcolumns）、輪密鑰加 （AddRoundKey）。最后一輪變換不包括列混合（Mixcolumns）。經過最后一輪變換，中間狀 態矩陣將輸出4*4B 的密文。

密鑰擴展是對給定初始密鑰進行運算，得到每個輪變換的輪密鑰。主要包括三步：字 替換（Subword）、周期置換（Rotword）、圈常數字序列加運算［2］。AES-128 與AES-192 密 鑰擴展的每一輪都包括三個步驟，對于AES-256，并不是每一輪都包括三個步驟，當密鑰 替換循環次數小于Nb*（Nr+1）（Nb 數據塊長度、Nr 圈數），同時循環次數對Nk（密鑰長度） 取模的結果為4 時，只進行字替換（Subword）。

表 2.1.1 給出了三種AES 加密的明文塊長度，密鑰長度，加密輪變換次數之間的關系。

2.2. AES 算法優化實現

2.2.1. 字節替換（SubBytes）

SubBytes 主要通過兩步來完成，一步是在GF（28）中取乘法逆，另外一步是通過特別 定義的GF（2）上的仿射作用。為了避免復雜的乘法運算，在FPGA 上具體實現時，構造了 16*16B 的置換表，通過查表完成了字節替換，節省了運算時間。

2.2.2. 行移變換（shiftrows）

ShiftRows 與列混合運算相互影響，在多輪變換后，使密碼信息達到充分的混亂。行變 換是在狀態的每個行間進行的，是狀態中的行按不同的偏移量進行循環左移運算［10］。通過 對每個字節的行移位實現該變換。

2.2.3. 列混合（MixColumns）

假設列混合運算輸入為a，輸出為b，加密的列混合運算可做如下表示：

式2.1 所示的矩陣運算是伽羅華域上常數乘法運算。伽羅華域上乘以任何常數的乘法 都可以通過反復的乘以02 和異或運算來實現［5］。將GF（28）域中的每一個元素與02 的乘積 存儲在一張16*16 B 查找表中，通過異或運算和查表即可實現列混合運算。

2.2.4. 密鑰加法（AddRoundKey）

AddRoundKey 是將輪密鑰中的各個字節與狀態中的各個字節進行逐位異或運算，實現 密碼和密鑰的混合［10］。輪密鑰是由初始密鑰通過密鑰擴展得到的。

2.2.5. 密鑰擴展（KeyExpansion）

初始密鑰和擴展后的整個密鑰表可以看作是一個字（word）序列。密鑰擴展是針對字進 行的，為此又引入了兩個對字進行處理的函數：字替代（Subword）和字旋轉（RotWord）。字 旋轉將字的4 個字節循環右移一個單位。密鑰擴展還包括引入輪常數Rcon。字替換和引入 輪常數均可使用查表法完成。字旋轉可以用簡單的交換字的順序實現。

在FPGA 的實現過程中，若不進行上述諸如查表法的優化，將會造成資源占用過度，運 行速率低下的情況。 3. AES 算法實現與仿真

3.1. AES 算法實現方案

圖3.1 為AES 加密算法實現框圖，其中明文有效標志和密鑰有效標志輸入給控制模塊， 初始密鑰送給密鑰擴展模塊，明文輸入到初始變換模塊。控制模塊輸出加密完成標志，最 終變換模塊輸出密文［7］。其中粗箭頭為數據線，細箭頭為控制線。為滿足加密過程的時序 要求，控制模塊對輸入的明文有效信號及密鑰有效信號進行控制。密鑰擴展模塊在不同輪 數下產生的擴展密鑰分別送給初始變換模塊，輪變換模塊以及最終變換模塊。初始變換模 塊對明文加了初始輪密鑰；輪變換模塊進行了四個變換步驟。最終變換模塊與輪變換模塊 不同在于沒有進行混合列操作。

3.2. 仿真結果

本設計采用VHDL 語言，在Xilinx 公司的一款FPGA 上實現了AES 算法。分別對AES-128、 AES-192、AES-256 加密算法實現進行仿真，在FPGA 資源占用率、數據處理速率等方面進 行了對比分析。

（1） 仿真結果

圖3.2.1、3.2.2、3.2.3 分別是AES-256、AES-192、AES-128 的FPGA 實現仿真結果， 從圖中可以看出AES-256 可以在15 個時鐘周期內完成，AES-192 可以在13 個周期實現加 密算法，AES-128 可以在12 個時鐘周期內實現加密算法。

（2） 性能分析

在Xilinx 公司的一款X2V 系列FPGA 上所占用的資源情況對比如表3.1.1。

根據密碼學理論，密鑰長度越長，其安全性能越好。AES-256 占用硬件資源較AES-128、 AES-192 多，但AES-256 可以提供最好的安全性。三種加密算法占用的資源數相當，數據 吞吐率隨著密鑰長度加長而變小。

4. 結論

本文對AES 算法進行了研究，提出了面向空間應用的AES 算法的FPGA 實現方案。通過 仿真分析，表明利用FPGA 進行AES 進行數據加密具有占用硬件資源較少，數據吞吐率高， 安全性好的特點，門數在10 萬左右的小型FPGA 即可實現該算法。考慮到安全性，在實際 應用中，AES-256 算法是最適合的。