1、第43卷 第1期 桂 林 电 子 科 技 大 学 学 报Vo l.43,No.1 2023年2月J o u r n a l o f G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y Fe b.2023收 稿 日 期:2021-04-28基 金 项 目:广 西 青 年 创 新 人 才 科 研 专 项(桂 科AD20238082);广 西 大 学 生 创 新 训 练 计 划(202010595195,202010595138).通 信 作 者:张 润 莲(1974-),女,副 教 授,博 士,研
2、究 方 向 为 信 息 安 全 和 分 布 式 计 算.E-ma i l:z h a ng r lgu e t.e du.c n引 文 格 式:李 俊 榜,李 金 林,潘 晟,等.基 于 复 合 域 的SM4 算 法FPGA 设 计 与 实 现J.桂 林 电 子 科 技 大 学 学 报,2023,43(1):49-55.基 于 复 合 域 的SM4算 法FPGA设 计 与 实 现李 俊 榜,李 金 林,潘 晟,梁 家 任,钟 雪 绮,张 润 莲(桂 林 电 子 科 技 大 学 广 西 密 码 学 与 信 息 安 全 重 点 实 验 室,广 西 桂 林 541004)摘 要:推 广 和 应 用
3、国 密 算 法 是 加 强 我 国 信 息 安 全 的 重 要 举 措。提 高 密 码 算 法 的 实 现 速 度,降 低 其 硬 件 实 现 成 本,已 成 为实 际 应 用 中 的 迫 切 需 求。该 问 题 的 解 决 方 案 之 一 是 基 于 复 合 域 的SM4算 法FPGA硬 件 设 计 与 实 现。基 于 对S盒 的 复 合域 分 解 和 电 路 优 化,该 方 案 降 低 了 硬 件 逻 辑 门 数;同 时 重 构 基 于 复 合 域 的SM4算 法 硬 件 电 路,并 改 进 了 轮 常 量 和 轮 密 钥 的生 成 和 存 储 方 式,以 降 低 硬 件 面 积;设 计
4、了 数 据 通 信 模 式,以 实 现 上 位 机 和FPGA之 间 的 通 信,并 通 过 数 据 加 解 密 为 应 用 提供 安 全 支 持。仿 真 测 试 和 软 硬 件 实 现 证 实 了 基 于 复 合 域 的SM4算 法FPGA硬 件 实 现 的 正 确 性,同 时 提 高 了 算 法 的 吞 吐量。综 合 评 测 结 果 表 明,该 方 案 具 有 更 小 的 实 现 面 积。关 键 词:SM4;S盒;复 合 域;仿 射 变 换;FPGA中 图 分 类 号:TP393 文 献 标 志 码:A 文 章 编 号:1673-808X(2023)01-0049-07T h e F P
5、G A d e s ign a n d i mpl e m e n t a t i o n o f S M 4 b a s e d o n c o mpo s i t e f i e l dLI J unb a ng,LI J i n l i n,PAN Sh e ng,LIANG J i a r e n,ZHONG Xu e q i,ZHANG Run l i a n(Gu a ngx i Ke y La bo r a t o r y o f Cr yp t og r a phy a nd I n f o rma t i on S e c u r i t y,Gu i l i n Un i
6、v e r s i t y o f E l e c t r on i c Te c hno l ogy,Gu i l i n 541004,Ch i n a)A b s t r a c t:Th e p r omo t i on a nd a pp l i c a t i on o f t h e SM(Comme r c i a l Cr yp t og r a phy)a l go r i t hm i s a n impo r t a n t me a s u r e f o r s t r e ng t h e n i ng i n f o rma t i on s e c u r i
7、 t y i n Ch i n a.I n c r e a s i ng t h e s p e e d o f imp l eme n t i ng e n c r yp t i on a l go r i t hms a nd r e du c i ng t h e h a r dwa r e imp l eme n t a t i on c o s t s h a v e b e c ome u r g e n t n e e d s i n p r a c t i c a l a pp l i c a t i on s.On e s o l u t i on t o t h i s p
8、 r ob l em i s t h e FPGA h a r dwa r e d e s i gn a nd imp l eme n t a t i on o f t h e SM4 a l go r i t hm b a s e d on c ompo s i t e f i e l d s.Th e s o l u t i on r e du c e s t h e numb e r o f h a r dwa r e l og i c g a t e s by u s i ng t h e c ompo s i t e f i e l d d e c ompo s i t i on o
9、 f t h e S-box a nd c i r c u i t op t imi z a t i on.I n a dd i t i on,t h e h a r d-wa r e c i r c u i t o f t h e SM4 a l go r i t hm b a s e d on c ompo s i t e f i e l d s i s r e s t r u c t u r e d,a nd t h e g e n e r a t i on a nd s t o r a g e me t hod o f r ound c on s t a n t s a nd r ou
10、nd k e y s a r e imp r o v e d t o r e du c e h a r dwa r e a r e a.Fu r t h e rmo r e,a d a t a c ommun i c a t i on mod e i s d e s i gn e d t o e n a b l e c ommun i c a t i on b e twe e n t h e ho s t c ompu t e r a nd t h e FPGA,p r o v i d i ng s e c u r e s uppo r t f o r t h e a pp l i c a t
11、 i on t h r ough d a t a e n c r yp t i on a nd d e c r yp t i on.Th e c o r r e c t n e s s o f t h e SM4 a l go r i t hm b a s e d on c ompo s i t e f i e l d s imp l eme n t e d on FPGA h a r dwa r e i s v e r i f i e d t h r ough s imu l a t i on t e s t i ng a nd s o f twa r e a nd h a r dwa r
12、e imp l eme n t a t i on,a nd t h e t h r oughpu t o f t h e a l go r i t hm i s im-p r o v e d.Th e c omp r e h e n s i v e e v a l u a t i on r e s u l t s s how t h a t t h e s o l u t i on h a s a l owe r imp l eme n t a t i on a r e a.K e y w o r d s:SM4;S-box;c ompo s i t e f i e l d;a f f i n
13、 e t r a n s f o rma t i on;f i e l d p r og r amma b l e g a t e a r r a y(FPGA)自2020年1月1日 起,中 国 人 民 共 和 国 密 码法 正 式 施 行 1,这 将 有 利 于 促 进 我 国 密 码 技 术 及 其应 用 的 快 速 发 展。SM4算 法 是 中 国 无 线 标 准 中 使 用的 分 组 密 码 算 法,于2012年 被 国 家 商 用 密 码 管 理 局确 定 为 国 家 密 码 行 业 标 准,是 我 国 第 一 个 官 方 公 布 的商 业 密 码 算 法 2。2021年6月,SM4
14、算 法 正 式 被 选为 国 际 标 准 算 法 3。SM4算 法 已 被 推 广 应 用 于 无 线通 信 4、车 联 网 5、文 件 系 统 加 解 密 6及 安 全 通 信 协议 等 方 面。随 着 物 联 网 技 术 的 快 速 发 展 及 广 泛 应 用,如 何 在 资 源 受 限 环 境 下 提 供SM4算 法 的 安 全 支 持,降 低 实 现 成 本,提 高 算 法 的 实 现 效 率,成 为 推 动 国 密算 法 应 用 新 的 需 求。FPGA具 有 布 线 资 源 丰 富、可 重 复 编 程、集 成 度高 和 并 行 处 理 等 特 点,广 泛 应 用 于 嵌 入 式 设
15、 备 的 开DOI:10.16725/45-1351/tn.2023.01.013桂 林 电 子 科 技 大 学 学 报2023年2月发 7。基 于FPGA,文 献8 给 出 了1种 循 环 型、3种流 水 线 型SM4硬 件 架 构,用 于 应 对 不 同 的 使 用 场 景;文 献9 提 出 一 种 剪 裁 式 实 现 方 案,以 求 达 到 面 积 和速 度 的 平 衡;文 献10 给 出 了 一 种 适 用 于AES和SM4的 新 型 实 现 方 式,在SMIC 0.18 m 1.8 V工 艺下,S盒 的 实 现 面 积 比 查 表 实 现 方 式 减 小24.76%;文献11 表 明
16、,采 用 基 于 复 合 域 实 现SM4的S盒 方 式比 使 用 查 表 方 式 更 能 抵 抗 机 器 学 习 攻 击;文 献12 给出 了SM4算 法 在FPGA上 实 现 的1种 迭 代 型 和1种流 水 线 型 设 计,此 外 还 给 出 了3种 处 于2者 之 间 的 综合 考 虑 速 度 和 面 积 平 衡 的 设 计。文 献13 使 用 复 合加/解 密 算 法 与 密 钥 扩 展 算 法 的S盒 的 方 式 来 减 少 资源 消 耗;文 献14 对SM4算 法 的 硬 件 进 行 了 设 计 并完 成 了 软 件 仿 真;文 献15 采 用 循 环 结 构 完 成 了SM4算
17、 法 密 钥 扩 展 及 加/解 密 算 法 的FPGA硬 件 实现。为 减 小 硬 件 实 现 面 积,文 献16 针 对SM4算 法构 造 了 一 种 基 于 复 合 域 的S盒 实 现 方 式,通 过 同 构 映射 矩 阵 来 简 化 有 限 域 求 逆 运 算。相 对 于 查 找 表 方 式,其 硬 件 实 现 面 积 减 小 了 约27%;文 献17 采 用 复 合域 计 算、优 化 运 算 顺 序 和 复 用 公 因 子 等 手 段 来 减 小S盒 硬 件 实 现 的 电 路 面 积。为 减 小SM4算 法 的 硬 件 实 现 面 积,对 文 献17中 的 方 法 进 行 优 化,
18、提 出 一 种 基 于 复 合 域 的SM4算法FPGA硬 件 设 计 和 实 现 方 法,该 方 法 采 用 循 环 迭代 方 式 设 计SM4算 法 的FPGA实 现 框 架 和SM4算法 加/解 密 核 的 电 路 结 构。设 计 上 位 机 与FPGA的数 据 通 信 协 议,并 仿 真 验 证 其 正 确 性;在 加/解 密 核 电路 中,基 于 复 合 域 分 解 完 成 非 线 性 变 换 部 件S盒 的分 解,以 减 小 硬 件 实 现 面 积,并 基 于 设 计 和 实 现 的 串口 通 信 进 行 实 际 测 试 和 验 证。1 SM4算 法 在 复 合 域 下 的S盒 实
19、 现 方 法SM4算 法 2的 分 组 长 度 和 密 钥 长 度 均 为128 b i t,加/解 密 算 法 和 密 钥 扩 展 算 法 都 采 用32轮 非 线性 迭 代 结 构,每 轮 迭 代 完 成32 b i t的 加/解 密 运 算。每 轮 的 轮 操 作 包 括 轮 密 钥 加、S盒 替 换 和 线 性 操 作,每 轮 输 入4个32 b i t字,在 与 密 钥 异 或 后,经 过4个S盒 和1个 线 性 层 完 成 一 轮 的 加 密。解 密 算 法 的 结构 与 加 密 算 法 相 同,但 轮 密 钥 的 使 用 顺 序 相 反。S盒 作 为SM4算 法 的 唯 一 非
20、线 性 部 件,其 硬 件实 现 性 能 将 影 响 整 个 算 法 的 综 合 性 能,如 电 路 面 积、吞 吐 量 和 功 耗 等,通 过 复 合 域 分 解 可 有 效 降 低S盒 硬件 的 实 现 成 本。SM4算 法 的S盒 分 解 是 将GF(28)域 上 的 乘 法求 逆 运 算 转 变 为GF(22)2)2),最 后 通 过 简 单 的 逻辑 运 算 在 电 路 上 实 现。文 献17 提 出 的 复 合 域 构 造方 法 采 用 了 图1所 示 的 实 现 框 架。图1 SM4算 法S盒 复 合 域 实 现 框 架根 据 文 献18 对SM4算 法S盒 的 代 数 表 达
21、式 进行 定 义,根 据 文 献17 构 建 出S盒 的 仿 射 变 换 运 算:a0a1a2a3a4a5a6a7|=AxT=1 1 1 0 0 1 0 11 1 1 1 0 0 1 00 1 1 1 1 0 0 11 0 1 1 1 1 0 00 1 0 1 1 1 1 00 0 1 0 1 1 1 11 0 0 1 0 1 1 11 1 0 0 1 0 1 1|x0 x1x2x3x4x5x6x7|(1)式(1)若 按 常 规 方 式 实 现,需 要32个 异 或 门,对 其 采用 文 献19 中 的 方 法 优 化 后,可 减 少16个 异 或 门。因 此,图1中 的2个 仿 射 变 换
22、通 过 简 化 共 可 减 少32个 异 或 门;同 构 映 射、逆 同 构 映 射 中 的 异 或 运 算 采 用同 样 方 法 进 行 电 路 简 化,可 减 少10个 异 或 门。基 于 上 述 方 法,将GF(28)域 上 的 求 逆 运 算 通 过同 构 映 射 转 变 为GF(24)2),其 电 路 如 图2(a)所 示。其 中:1、0分 别 为S盒 输 入 的8 b i t数 据 映 射 后 的高4位 和 低4位,为GF(24)2)域 不 可 约 多 项 式 的常 数,取=1001,1和0分 别 对 应 求 逆 后 的 高4位 和 低4位。同 理,GF(24)的 求 逆 与 上
23、述 计 算 过 程 类 似,得 出GF(24)上 的 求 逆 电 路,如 图2(b)所 示。2 SM4算 法 的FPGA设 计 与 实 现2.1 FPGA硬 件 实 现 框 架SM4算 法 的FPGA硬 件 实 现 分 为 上 位 机 和FP-GA实 现2部 分。FPGA实 现 包 括SM4算 法 加/解密 核 和 数 据 通 信;上 位 机 包 括 数 据 预 处 理、数 据 封 装/解 包、数 据 输 入/输 出。实 现 框 架 结 构 如 图3所 示。SM4加/解 密 核 是 算 法FPGA实 现 的 核 心,用 于完 成SM4算 法 的 加/解 密 算 法 实 现、密 钥 扩 展 及
24、核 心部 件S盒。加/解 密 算 法 和 密 钥 扩 展 都 由 非 线 性 变0 5第1期 李 俊 榜 等:基 于 复 合 域 的SM4算 法FPGA设 计 与 实 现图2 S盒 复 合 域GF(28)、GF(24)乘 法 求 逆 运 算 电 路图3 SM4算 法FPGA实 现 结 构换、线 性 变 换 和 合 成 变 换 组 成,但 在 线 性 变 换 上 有 所区 别。核 心 部 件S盒 通 过 复 合 域 分 解 降 低 运 算 的 复杂 度。数 据 通 信 部 分 设 计 并 实 现 了 串 口 通 信,根 据 接 口规 范 完 成 协 议 实 现,与 上 位 机 进 行 数 据 通
25、 信。在 上 位 机 中,数 据 预 处 理 完 成 对 明 密 文 数 据 的 分割;数 据 封 装/解 包 完 成 数 据 类 型 识 别,并 按 照 通 信 协议 进 行 封 装/解 包;数 据 输 入/输 出 分 别 完 成 比 特 流 的生 成 与 发 送/接 收。2.2 FPGA硬 件 电 路 设 计SM4算 法 的 硬 件 实 现 可 采 用 流 水 线 结 构 或 循 环迭 代 结 构,流 水 线 结 构 运 算 速 度 快,但 资 源 开 销 大;循环 迭 代 结 构 运 算 周 期 长,但 资 源 开 销 较 小。根 据SM4算 法 思 想,其 在 加/解 密 和 密 钥
26、扩 展 时 需32轮循 环 迭 代,因 此 采 用 循 环 迭 代 结 构。SM4算 法 硬 件电 路 结 构 如 图4所 示。在 加/解 密 模 块 电 路 结 构 中,轮 函 数 的 线 性 变 换与 异 或 操 作 由 组 合 逻 辑 设 计 完 成,非 线 性 变 换 由 上 述的 复 合 域 分 解 实 现 的S盒 替 换 完 成。轮 函 数 中 所 有操 作 在 一 个 时 钟 周 期 内 完 成,由 时 钟 沿 触 发 将 每 轮 的结 果 存 入 下 一 轮 的 缓 存 器 中。即 在 加/解 密 操 作 中,将 输 入 的128位 数 据 分 解 为32位 后,与 轮 密 钥
27、 进 行一 轮 运 算,并 将 结 果 存 入 缓 存 器 中,等 待 下 一 轮 的 运算。解 密 操 作 与 加 密 操 作 的 不 同 之 处 是 当 输 入 信 号为0时,将 轮 密 钥 反 序 使 用。密 钥 扩 展 模 块 的 电 路 结 构 与 加/解 密 模 块 类 似,首 先 将 输 入 的 密 钥 与SM4算 法 中 的 系 统 参 数FK进行 异 或,然 后 与 固 定 参 数CK异 或,并 进 行 合 成 置 换。其 中CK使 用 计 算 方 式 产 生,与 传 统 的 存 储 参 数 方 式相 比 可 有 效 减 少 面 积 开 销。密 钥 扩 展 模 块 结 构 与
28、 加/解 密 模 块 类 似,以 此 进 行32轮 的 密 钥 扩 展,并 将 每 轮的 结 果 存 入RAM,利 用RAM存 储 轮 密 钥 可 有 效 减小 等 效 门 的 面 积。2.3 数 据 通 信 协 议 设 计为 实 现FPGA与 上 位 机 之 间 的 数 据 传 输 并 采 用SM4算 法 进 行 数 据 加/解 密,设 计 了 相 应 的 用 于 数 据1 5桂 林 电 子 科 技 大 学 学 报2023年2月图4 SM4算 法 硬 件 电 路 结 构通 信 的 数 据 结 构,包 括 数 据 类 型、数 据 长 度 和 数 据3个 部 分,具 体 如 图5所 示。图5 S
29、M4算 法 数 据 通 信 协 议 的 数 据 结 构1)Frm_t yp e:一 个 字 节,表 示 该 数 据 帧 的 数 据 类型。当Frm_t yp e为0 x01时,表 示Da t a为 密 钥,需要 进 行 密 钥 扩 展;当 其 为0 x02时,表 示Da t a为 明 文,将 进 行 加 密;当 其 为0 x 04时,表 示Da t a为 密 文,将 进行 解 密。2)Len_a l l:一 个 字 节,表 示 该 数 据 帧 的 有 效 数 据长 度。若Da t a部 分 的 有 效 位 数 为128位,则Le n_a l l的 值 为0 x 80;当 数 据 出 现 短 块
30、,则 根 据 实 际 的 有 效 位计 算Len_a l l的 值。若Da t a是 密 钥,则Len_a l l恒 定为0 x 80,表 示Da t a有128位 有 效 数 据。3)Da t a:16字 节,其 为 需 要 传 输 的 数 据,具 体 数据 类 型 和 有 效 位 数 由 上 位 机 确 定。基 于 上 述 定 义 的 数 据 结 构,上 位 机 与FPGA分别 进 行 数 据 封 装 或 解 包,产 生 相 应 控 制 信 号,对SM4算 法 加/解 密 核 进 行 控 制。对 上 位 机 和FPGA的 数据 传 输 设 计 和 实 现 了 串 口 通 信 模 式。在 串
31、 口 通 信 模 式 下,数 据 发 送/接 收 采 用 通 用 异步 通 信(un i v e r s a l a s yn c h r onou s r e c e i v e r/t r an smi t-t e r,简 称UART)协 议,异 步 串 口 通 信 协 议 格 式 包 括起 始 位、数 据 位、校 验 位 和 停 止 位,如 图6所 示。在 串 口 通 信 中,起 始 位、校 验 位 和 停 止 位 各 占1位,数 据 位 占8位,数 据 的 收 发 根 据 状 态 机 控 制 的 信号 变 换 进 行。当 接 收 数 据 时,若 接 收 到 下 降 沿 信 号,则 判
32、定 为 串 口 的 起 始 位,开 始 接 收,每 接 收8 b i t数 据图6 异 步 串 口 通 信 协 议 格 式为 一 个 状 态 周 期,由 此 循 环 接 收144位SM4数 据 包并 存 入RAM,当 收 到18个 数 据 包 时,停 止 接 收,再根 据SM4算 法 及 数 据 通 信 协 议 进 行 数 据 解 析。发送 数 据 则 按 照SM4算 法 及 数 据 通 信 协 议 进 行 数 据封 装 后,存 入144 b i t输 入、8 b i t输 出 的F I FO部 件,当F I FO不 空 时,则 根 据 异 步 串 口 通 信 协 议 依 次 将F I FO中
33、 的 数 据 逐 个 发 送。串 口 采 用115,200的 波特 率 进 行 收 发。2.4 SM4算 法 在S盒 复 合 域 实 现 下 的 仿 真 验 证针 对SM4算 法 基 于 复 合 域 的S盒 实 现,根 据 上述 的FPGA设 计 电 路,在FPGA上 采 用Ve r i l og HDL语 言 编 程 实 现;在 仿 真 工 具Vi v ado 2017.4环 境下,选 择X i l i nx公 司Ar t i x-7系 列 型 号 为XC7A35T-2FGG484 I的 器 件 进 行 仿 真 验 证。仿 真 明 文:123456789ab c d e f f e d c
34、ba 9876543210,密 钥:123456789ab c d e f f e d c ba 9876543210,密 文:681e d f 34d 206965e86b3e 94 f 536e 4246,仿 真 明 文 波 形 和 输 出 的 密 文 波 形分 别 如 图7(a)、(b)所 示。在SM4算 法 加 密 过 程 中,首 先 由Da t a_r dy、Ke y_g e n_done信 号 进 行 触 发,根 据128 b i t明 文 数 据并 行 输 入,并 配 合 轮 密 钥 顺 序 读 取、加 密。每 个 时 钟周 期 完 成 一 轮 循 环 加 密,经 过32轮 迭
35、代 循 环 加 密 后,输 出128 b i t密 文,并 拉 高Da t a_done信 号 一 个 周 期。新 的 明 文 重 复 上 述 操 作,循 环 进 行 分 组 加 密。在SM4算 法 解 密 过 程 中,同 样 先 由Da t a_r dy、Ke y_g e n_done信 号 进 行 触 发,根 据d e o r e n信 号 对 轮2 5第1期 李 俊 榜 等:基 于 复 合 域 的SM4算 法FPGA设 计 与 实 现图7 仿 真 波 形密 钥 进 行 逆 序 读 取,对128 b i t密 文 进 行 解 密。同 样是 一 个 时 钟 周 期 完 成 一 轮 循 环 解
36、 密,经 过32轮 循 环迭 代 解 密 后,输 出128 b i t明 文,并 拉 高Da t a_done信号 一 个 周 期。新 的 密 文 重 复 上 述 操 作,循 环 完 成 分 组解 密。在 加/解 密 运 算 过 程 中,仿 真 波 形 和 软 件 执 行 结果 对 比 验 证 了 加/解 密 硬 件 正 确。基 于 上 位 机 采 用 串口 通 信 实 现 程 序 对 数 据 进 行 加/解 密,执 行 结 果 同 样验 证 了 加/解 密 硬 件 执 行 结 果 正 确。3 实 验 测 试 及 结 果 分 析3.1 实 验 环 境 及 软 件 实 现 测 试采 用X i l
37、 i nx公 司Ar t i x-7系 列XC7A35T-2FGG484 I型 号 的FPGA芯 片,基 于Vi v a do 2017.4环 境,利 用Vi v a do S imu l a t o r仿 真 工 具,设 计 并 完 成基 于S盒 复 合 域 的SM4算 法FPGA硬 件 实 现。上位 机 硬 件 配 置 为I n t e l Co r eTM i 5-5200U CPU 2.20 GHz,操 作 系 统 为Wi ndows 10。采 用C语 言 实 现 上 位 机 软 件,并 与FPGA板 通信 实 现 数 据 传 输,在FPGA上 基 于 烧 录 的 算 法 完 成对 数
38、 据 的 加/解 密,图8所 示 的 输 出 结 果 表 明 了 算 法软 硬 件 实 现 的 正 确 性。对SM4算 法 的FPGA实 现,通 过 对 算 法 的 时 序检 查,发 现 关 键 路 径 时 延 为13.68 n s,其 加/解 密 时 的吞 吐 率 达292.39 Mb i ts-1。采 用C语 言 对SM4算法 软 件 实 现,测 试 其 加/解 密 的 吞 吐 量 为112.18 Mb i ts-1,结 果 如 图9所 示。上 述 测 试 结 果 表 明,采 用FPGA硬 件 实 现 可 有效 提 高 算 法 的 吞 吐 量。3.2 综 合 结 果 对 比 分 析采 用S
39、ynop s y s公 司L-2016.03-SP1综 合 工 具De s i gn Comp i l e r,选 取 工 艺 库SMIC 130 nm(工 作 电压 为1.2 V,温 度 为25)评 估 上 述AS IC硬 件 实 现。在 所 有 的 综 合 中 均 使 用 典 型 工 作 条 件,并 与 几 种 实 现结 果 进 行 对 比,S盒 综 合 结 果 如 表1所 示,SM4算 法综 合 结 果 如 表2所 示。表1 S盒 综 合 结 果实 现 方 法 工 艺/nm 频 率/MHz 面 积/g a t e s查 表 法 SMIC 130 50 579文 献16SMIC 130 5
40、0 474文 献17SMIC 180 50 460本 方 法 SMIC 130 50 350 注:S 盒 的 面 积 用 其 等 效 逻 辑 门 的 门 数 表 示,采 用g a t e。3 5桂 林 电 子 科 技 大 学 学 报2023年2月图8 基 于S盒 复 合 域 的SM4算 法FPGA实 现 及 测 试图9 SM4算 法 软 件 实 现 的 加/解 密 速 度 测 试 表1表 明,查 表 法 评 测 的 面 积 最 大,文 献16 和文 献17 采 用 复 合 域 求 逆,其 面 积 都 有 较 大 减 幅。本方 法 对 文 献17 的 复 合 域 方 法 进 行 优 化,降 低
41、了 电 路冗 余,并 在 电 路 中 优 化 寄 存 器 选 取 方 式 及 轮 常 量、轮密 钥 的 生 成 和 存 储 方 式,复 合 域 实 现 面 积 进 一 步减 小。在 表2中,吞 吐 率/面 积 表 示 电 路 的 品 质 因 数,在不 考 虑 电 路 翻 转 率 的 情 况 下,相 同 吞 吐 率 下,面 积 越小,功 耗 将 越 低,即 计 算 的 值 越 高 越 好。基 于 查 找 表的SM4算 法 实 现,其 综 合 面 积 和 吞 吐 率/面 积 都 较大。文 献17 采 用 的 工 艺 不 同,但 按 照 吞 吐 率/面 积计 算 的 结 果 不 太 理 想;文 献2
42、0 给 出 的 测 试 频 率 不同,在 对 频 率 采 用 归 一 化 后,其 吞 吐 率/面 积 相 对 较小;基 于 查 找 表 的SM4算 法 实 现 和 文 献16 基 于 复合 域 实 现 的 结 果 相 差 不 大,优 于 上 述2种 方 法。基 于复 合 域 的 实 现 方 法 对 文 献17 的 方 法 进 行 优 化,并 通过 电 路 优 化,有 效 减 小 了 实 现 面 积,吞 吐 率/面 积 的 结果 最 好。4 结 束 语基 于FPGA设 计 并 完 成SM4算 法 的 复 合 域 实现 方 案,基 于 复 合 域 分 解 和 线 性 部 件 二 元 矩 阵 的 优
43、化,重 构 了S盒 电 路 结 构,降 低 了 逻 辑 门 数;基 于 设 计的 硬 件 实 现 框 架,完 成 了 电 路 设 计,并 优 化 寄 存 器 选取 方 式,对 轮 常 量、轮 密 钥 的 生 成 和 存 储 方 式 进 行 改进;设 计 和 实 现 数 据 通 信 模 式,以 实 现 上 位 机 和FP-GA间 的 数 据 通 信,使 得SM4算 法 能 够 在 实 际 环 境中 有 效 应 用 并 提 供 安 全 支 持。仿 真 测 试 结 果 及 硬 件实 现 验 证 了 基 于 复 合 域 的SM4算 法FPGA硬 件 设计 和 实 现 的 正 确 性,评 测 结 果 表
44、 明,该 方 法 具 有 更 低的 实 现 成 本。下 一 步 工 作 将 在 此 基 础 上,设 计 掩 码 防护 方 案,以 保 护 算 法 的 运 行 安 全。表2 SM4算 法 综 合 结 果实 现 方 法 工 艺/nm 频 率/MHz 面 积/g a t e 吞 吐 率/(Mb i ts-1)吞 吐 率/面 积/(Mb i ts-1)/kg a t e)查 找 表 SMIC 130 50 7 424 200 26.9文 献16SMIC 130 50 7 612 193.9 25.47文 献17SMIC 180 50 19 600 200 10.2文 献20SMIC 130 285.5
45、 3 824 142.7 6.5(频 率 归 一 化)本 方 法 SMIC 130 50 5 986 200 33.4 注:S 盒 的 面 积 用 其 等 效 逻 辑 门 的 门 数 表 示,采 用g a t e。参 考 文 献:1 中 华 人 民 共 和 国 国 家 互 联 网 信 息 办 公 室.中 国 人 民 共和 国 密 码 法EB/OL.(2019-10-26)2021-03-20.h t-t p s:/www.c a c.go v.c n/2019-10/26/c_1572860358171248.h tm.4 5第1期 李 俊 榜 等:基 于 复 合 域 的SM4算 法FPGA设
46、 计 与 实 现2 国 家 密 码 管 理 局.无 线 局 域 网 产 品 使 用 的SMS 4密 码算 法EB/OL.(2016-11-18)2021-03-20.h t t p:/www.s c a.go v.c n/s c a/c 100061/201611/1002423/f i l e s/330480 f 731 f 64e 1e a 75138211e a 0d c 27.pd f.3 I SO.I SO/IEC 18033-3:2010/AMD 1:2021 I n f o rma-t i on t e c hno l ogy-s e c u r i t y t e c hn
47、i qu e s-e n c r yp t i on a l go-r i t hms-p a r t 3:b l o c k c i ph e r s-ame ndme n t 1:SM4S.New Yo r k:I SO/IEC,2021.4 吴 滢,马 睿,邹 成 智,等.基 于 国 密 算 法 的ACARS数 据保 护 技 术J.信 息 安 全 研 究,2021,7(4):342-350.5 蒋 炯 炜,洪 泽,陈 振 娇.SM4加 密 算 法 在 车 联 网 上 的 应用J.计 算 机 与 网 络,2020,46(3):58-60.6 CHEN J i ng j i ng,YOU F
48、u c h e ng.An ima g e e n c r yp t i on a l go r i t hm b a s e d on SM4 a nd Ba s e 64J.J ou r n a l o f Phy s i c s:Con f e r e n c e S e r i e s,2021,1812(1):012041.7 关 杰,王 健.基 于FPGA与ARM协 同 工 作 的 网 络 数 据采 集 系 统J.桂 林 电 子 科 技 大 学 学 报,2014,34(4):315-318.8 何 诗 洋,李 晖,李 凤 华.SM4算 法 的FPGA优 化 实 现 方法J.西 安
49、电 子 科 技 大 学 学 报,2021,48(3):155-162.9 刘 金 峒,梁 科,王 锦,等.SM4加 密 算 法 可 裁 剪 式 结 构 设计 与 硬 件 实 现J.南 开 大 学 学 报(自 然 科 学 版),2019,52(4):41-45.10 LIU Ya op i ng,WU Ni ng,ZHANG X i a o q i a ng,e t a l.A n ew c omp a c t h a r dwa r e a r c h i t e c t u r e o f S-Box f o r b l o c k c i ph e r s AES a nd SM4J.IE
50、I CE E l e c t r on i c s Exp r e s s,2017,14(11):1-6.11 LI We i,BAI Guo q i a ng,WU X i ng j un.Ha r dwa r e imp l e-me n t a t i on o f SM4 b a s e d on c ompo s i t e f i l e d S-box a nd i t s s e c u r i t y a g a i n s t ma c h i n e l e a r n i ng a t t a c kC/2018 IEEE I n t e r n a t i on a
