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。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。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。