多規(guī)格S盒的硬件實(shí)現(xiàn)方法

S盒的設(shè)計(jì)原理

S盒的功能就是一種簡(jiǎn)單的“代替”操作。一個(gè)n輸入、m輸出的S盒所實(shí)現(xiàn)的功能是從二元域F₂上的n維向量空間F₂ⁿ到二元域F₂上的m維向量空間F₂^m的映射：F₂ⁿ――>F₂^m，該映射被稱為S盒代替函數(shù)。構(gòu)造S盒常用的方法有如下3種：隨機(jī)選擇、人為構(gòu)造和數(shù)學(xué)方法構(gòu)造。為保證S盒的密碼強(qiáng)度，S盒應(yīng)越大越好。一般來(lái)講，n和m越大，隨機(jī)性越好，S盒的密碼強(qiáng)度就越大。但n和m越大，S盒的規(guī)模和可控編碼的寬度也就越大。S盒的隨機(jī)性可以通過可控編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過改變可控編碼，一個(gè)nm的S盒能夠?qū)崿F(xiàn)：F₂ⁿ――>F₂^m的所有的代替函數(shù)。
輸入為

的nm S盒布爾函數(shù)的通式為

其中，系數(shù)ci∈{0,1},

通項(xiàng)記為

則

從式中可以看出，輸入數(shù)據(jù)后，p_i(x)作為最小項(xiàng)就確定下來(lái)了，對(duì)輸出f(x)產(chǎn)生影響的只有最小項(xiàng)系數(shù)c_i，通過改變c_i就可以使S盒實(shí)現(xiàn)任意布爾函數(shù)的變換。

S盒的硬件實(shí)現(xiàn)方法

S盒代替變換實(shí)際上就是一組布爾邏輯函數(shù)，S盒的輸入X就是布爾邏輯函數(shù)的自變量，S盒的輸出f(x)就是函數(shù)值。不同的加/解密算法所使用的S盒代替變換是不同的，為了S盒能夠支持不同的加/解密算法，必須能夠通過編程改變S盒模塊實(shí)現(xiàn)的函數(shù)關(guān)系。在電路規(guī)模允許的條件下，應(yīng)該使S盒模塊實(shí)現(xiàn)的函數(shù)個(gè)數(shù)盡可能多，最好能夠?qū)崿F(xiàn)輸入變量任意的布爾函數(shù)。下面給出一個(gè)n輸入m輸出的可編程S盒的設(shè)計(jì)方法，該S盒能夠?qū)崿F(xiàn)n個(gè)輸入變量的任意布爾函數(shù)。

設(shè)x₁，x₂，…，x_n是n個(gè)布爾變量，f₁(x₁，x₂，…，x_n)、f₂(x₁，x₂，…，x_n)、…、f_m(x₁，x₂，…，x_n)是x₁，x₂，…，x_n的m個(gè)布爾函數(shù)，則f₁(x₁，x₂，…，x_n)、f₂(x₁，x₂，…，x_n)、…、f_m(x₁，x₂，…，x_n)都可以表示為下列最小項(xiàng)之和的形式：

其中，是n個(gè)變量的2ⁿ個(gè)最小項(xiàng)，k_ij∈{0,1},i=1，2，…，m，j＝1，2，…2ⁿ。

對(duì)于任意的布爾函數(shù)f_i(x₁，x₂，…，x_n)(1≤i≤m)，其2ⁿ個(gè)最小項(xiàng)(n項(xiàng)之積)是固定不變的，其表達(dá)式的結(jié)構(gòu)(2ⁿ項(xiàng)之和)也是不變的，其函數(shù)關(guān)系的改變完全依賴于最小項(xiàng)系數(shù)(即控制編碼)k_i=(k_i1,k_i2,…k_i2ⁿ)(1≤i≤m)的改變。因此，在設(shè)計(jì)邏輯電路時(shí)，應(yīng)該把“n項(xiàng)之積”和“2ⁿ項(xiàng)之和”作為固定的電路結(jié)構(gòu)，而把控制編碼所對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)作為可變結(jié)構(gòu)。通過給k_i=(k_i1,k_i2,…k_i2ⁿ)(1≤i≤m)賦以不同的值，就可以實(shí)現(xiàn)不同的布爾邏輯函數(shù)。該子模塊的電路圖如圖1所示。

對(duì)每個(gè)f_i(x₁，x₂，…，x_n)(1≤i≤m)，通過改變控制編碼能夠?qū)崿F(xiàn)n個(gè)變量的全部(共2²ⁿ個(gè))布爾邏輯函數(shù)，因此上述電路能夠?qū)崿F(xiàn)任意的n輸入、m輸出的函數(shù)：f(x₁，x₂，…，x_n)=(f₁(x₁，x₂，…，x_n)，f₂(x₁，x₂，…，x_n)，…f_m(x₁，x₂，…，x_n))，其個(gè)數(shù)為2^m2n。

當(dāng)取n=8、m=8，上述電路就能實(shí)現(xiàn)1組88的S盒代替變換。通過電路設(shè)計(jì)，這套電路資源可以兼容4組64 的S盒代替變換。

電路功能描述與VHDL實(shí)現(xiàn)

功能描述

本文用VHDL硬件描述語(yǔ)言在ModelSim上實(shí)現(xiàn)了1組88的S盒，并在MAXPLUSII上通過了功能仿真。

S盒的外觀電路如圖2所示。X是輸入，OP是功能選擇輸入，K0、K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7是控制編碼，Y是輸出。當(dāng)OP=1時(shí),電路實(shí)現(xiàn)1組88的S盒；當(dāng)OP=0時(shí)，電路能同時(shí)實(shí)現(xiàn)4組64的S盒。通過改變控制編碼K1、K2……K7，S盒就可以實(shí)現(xiàn)88、64規(guī)格的任意布爾函數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)不同算法中要求不同的S盒功能。用表格說(shuō)明更能清晰地看出它的功能和實(shí)現(xiàn)方式，如表1所示。

VHDL實(shí)現(xiàn)方法

S盒電路是一個(gè)組合電路， 1組88的S盒有256個(gè)最小項(xiàng)，而1組64的S盒有64個(gè)最小項(xiàng)，因此1組88 S盒的資源可以實(shí)現(xiàn)4組64的S盒，這就是設(shè)計(jì)中的資源復(fù)用，即一套資源實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格的S盒功能。上面給出了具體的電路實(shí)現(xiàn)單元，如圖3所示。

在電路實(shí)現(xiàn)中，共分為4組，1組有64個(gè)最小項(xiàng)，由64個(gè)相同的電路單元實(shí)現(xiàn)。op=1時(shí)，實(shí)現(xiàn)1組88 S盒的最小項(xiàng)構(gòu)造；OP＝0時(shí)，實(shí)現(xiàn)4組64 S盒的最小項(xiàng)構(gòu)造。之后將最小項(xiàng)與靜態(tài)編碼相應(yīng)位進(jìn)行與操作，再將結(jié)果按位進(jìn)行或操作，就得到輸出Y。

S盒功能仿真結(jié)果

S盒的功能仿真在MAXPLUSII上進(jìn)行，在仿真過程中，S盒的輸入數(shù)據(jù)通過激勵(lì)賦值，分別針對(duì)88規(guī)格和64規(guī)格給定數(shù)據(jù)。OP=1時(shí),預(yù)期要實(shí)現(xiàn)1組88的S盒變換；OP=0時(shí),預(yù)期要實(shí)現(xiàn)4組64的S盒變換，最終得到的仿真結(jié)果與預(yù)期結(jié)果相吻合。

S盒電路規(guī)模和延時(shí)估計(jì)

S盒的電路規(guī)模和延時(shí)依賴于實(shí)現(xiàn)工藝和生產(chǎn)廠家工藝庫(kù)，在本設(shè)計(jì)中，基于臺(tái)積電0.25um工藝庫(kù)對(duì)上述可編程S盒的電路規(guī)模和延時(shí)進(jìn)行了估計(jì)，規(guī)模約是3300門，延時(shí)約是10.73ns。主頻在90MHz以下可以在單周期內(nèi)完成一次S盒變換。

但由于8組256位的靜態(tài)編碼輸入在硬件實(shí)現(xiàn)上引腳太多，不切實(shí)際，上述S盒不能單獨(dú)以硬件實(shí)現(xiàn)，可作為一個(gè)IP使用在密碼算法可重組系統(tǒng)中。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，S盒的輸入數(shù)據(jù)可以從存儲(chǔ)器中讀取，或承接另一個(gè)IP的輸出數(shù)據(jù)。由于此S盒可以兼容1組88規(guī)格的S盒和4組64規(guī)格的S盒，那么在密碼算法可重組系統(tǒng)中，所有用到這兩種規(guī)格S盒的算法只要這一個(gè)S盒就可以滿足，節(jié)省了整個(gè)系統(tǒng)的電路規(guī)模，但系統(tǒng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理速度會(huì)比較慢。此S盒可以進(jìn)一步改進(jìn)，使其在原來(lái)基礎(chǔ)上再兼容16組44規(guī)格的S盒，同時(shí)也可以尋找更好的組合邏輯實(shí)現(xiàn)方法，把其速度提高，令主頻達(dá)到100MHz以上。

結(jié)語(yǔ)

通過實(shí)驗(yàn)，本文用VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了1組88的S盒，并兼容4組64的S盒。電路通過了功能仿真及電路性能評(píng)估，可以作為相應(yīng)密碼算法可重組系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用IP來(lái)使用，實(shí)現(xiàn)了密碼算法設(shè)計(jì)的靈活性，增強(qiáng)了抗攻擊能力。