[发明专利]实现SMS4算法的加解密系统

说明书

技术领域

本发明涉及无线局域网分组密码算法领域，具体为提出一种实现SMS4 算法的加解密系统。

背景技术

SMS4密码算法是国内公布的第一个用于无线局域网产品的商用密码算 法，该算法是我国首个公开针对特殊领域的密码算法，对无线局域网产业和 商用密码研究都有重要的意义。SMS4是基于S盒的分组对称密码算法，它对 一组比特数据进行加解密运算，该算法的分组长度为128比特，密钥长度为 128比特。加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构。

加密算法主要为读入加解密数据和轮密钥进行加密运算的过程。算法的 加密变换包含异或运算和合成置换T₁运算，其中合成置换T₁运算是由线性变 化L₁和非线性变化τ复合而成，即T₁(.)＝L₁(τ(.))。非线性变化τ由4个并行 的S盒构成，S盒是固定的8比特输入8比特输出的变换；线性变化L₁包含 异或运算和左移运算。

解密算法与加密算法的结构完全相同，但使用轮密钥的次序与之相反。

加解密算法中的轮密钥是加密密钥MK通过轮密钥扩展算法生成。该扩 展算法的基本结构也与加解密算法相同，同样包含异或运算和合成置换T₂运 算。其中合成置换T₂运算与加密算法中的合成置换T₁运算基本相同，仅仅将 其中的线性变化L₁修改为L₂，线性变化L₂同样包含异或运算和左移运算，形 式略有不同。

实现SMS4算法的加解密系统在现有技术中存在多种实现方案，但这些 方案大多基于以下架构：包括轮密钥扩展模块、控制模块和加解密模块。以 加密操作为例，首先由轮密钥扩展模块读入加密密钥MK、系统参数FK和固 定参数CK，其中FK和CK是固定值，读入的所有参数经过32轮迭代运算产 生32个轮密钥并存储。当有明文进入加解密模块，则加密运算启动，并在每 轮迭代中读入相应轮密钥，直至完成32轮迭代加密操作，最终输出密文。不 同方案的区别在于加解密模块的实现上。如果简单按照算法中的操作，每一 组明文都要经过32轮迭代才能完成加密，而实际应用中的时钟频率一般都比 较低，从而导致单位时间内加密的数据量少，效率低。如果强行提高时钟频 率，又会给系统带来较大的干扰，给集成电路芯片设计带来困难。因此技术 人员设计出了不同的加密运算结构以减少循环次数，提高加密效率。比如一 轮循环中加入多个轮函数F，从而达到减少迭代次数的目的，只要保持轮函 数F的个数与迭代次数的乘积是32即可。还可以在各轮函数F之间插入寄存 器形成流水结构，使系统在同一时间内可以对多组数据进行加解密运算。

但从系统全局的结构考虑，加解密模块和轮密钥扩展模块在功能上有较 大的相似性，现有技术仍然使用两个单独的模块来分别实现轮密钥扩展以及 加解密功能，使得系统在采用流水线结构的情况下部件冗余度较高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种实现SMS4算法的加解密系统，在采用流水线 结构的情况下降低系统的部件冗余度。

由于实现SMS4算法的加解密系统中加解密模块和轮密钥扩展模块功能 存在较大的相似性，为了降低部件冗余度，本发明基于模块复用的思想提出 一种实现SMS4算法的加解密系统，包括：第一级流水线、第二级流水线、 第三级流水线；

所述第一级流水线包含第一运算模块和第一存储模块；所述第二级流水 线包含第二运算模块和第二存储模块；所述第三级流水线包含第三运算模块 和第三存储模块；

所述各级流水线的存储模块都包含控制参数区域、输入数据区域和运算 数据区域；所述控制参数区域用于存储控制参数，该控制参数指示工作模式 和迭代轮次；所述输入数据区域用于存储输入数据，所述第一级流水线接收 对应轮次的输入数据，并保存于各级流水线的存储模块的输入数据区域；所 述运算数据区域用于存储运算数据，各级流水线的运算输出结果保存于各级 流水线的存储模块的运算数据区域；

所述工作模式包括密钥扩展模式和加解密模式；所述工作模式由第一轮 次的输入数据决定，若输入数据为加密密钥则处于密钥扩展模式，若输入数 据为明文或密文则处于加解密模式；