面向蓝牙4.0的AES加解密模块设计与验证

发布时间：2017-05-18 12:19

  本文关键词：面向蓝牙4.0的AES加解密模块设计与验证，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着无线通信以及可穿戴设备等技术的发展与普及,人们对低功耗的无线通信需求越来越多,而蓝牙4.0正能够满足这一需求。信息的安全性是无线通信中极其重要的一项,蓝牙4.0采用了基于高级加密算法AES(Advanced Encryption Standard)的CCM安全模式。蓝牙设备经常用于纽扣电池供电的系统中,芯片的成本以及能耗需要芯片设计者着重考虑。芯片成本与芯片面积直接相关,能耗与面积也有一定的关系。本文依据蓝牙4.0设备低成本、低功耗、低速率的特性设计了一种面向蓝牙4.0系统的高效、小面积AES-CCM硬件加解密模块。针对AES硬件实现中性能、面积优化的瓶颈所在S-Box,本文用组合逻辑实现法代替常见的查找表实现法,优化电路结构,用Verilog HDL硬件描述语言对模块进行RTL级描述后,基于cb13fs120 tsmc max工艺库进行综合,结果表明,节省了芯片7.3%的硬件资源消耗。通过将AES中的SubBytes分步处理的方法,大幅减少S-Box的使用数量,提高模块复用率,FPGA综合结果说明资源消耗只占常规AES硬件加密模块的36.35%。用串行结构取代并行处理结构,使用一个AES加密核更高效地处理CCM加密模式,硬件资源节省了40%。最终FPGA验证在8MHz主频下,本文设计的模块能够正确加解密数据,216 bits的数据39.625ms完成加解密与认证。论文的结果表明本文针对蓝牙4.0设计的AES-CCM加解密模块,能够在保证数据吞吐率的前提下极大地减小AES加解密模块的面积。
【关键词】：高级加密算法 CCM安全模式 硬件加解密 蓝牙4.0 可编程门阵列
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN918.4;TN925
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 论文的背景概述8-10
• 1.2 研究现状10-11
• 1.3 研究目标11
• 1.4 论文主要内容及结构安排11-14
• 第二章 蓝牙4.0中AES加解密算法简介14-28
• 2.1 AES加密算法描述14-18
• 2.1.1 加密流程14-17
• 2.1.2 轮密钥的产生17-18
• 2.2 AES-CCM算法18-22
• 2.2.1 AES-CCM算法整体流程19-20
• 2.2.2 认证部分——CBC-MAC模式算法20-21
• 2.2.3 加密部分——CTR模式算法21-22
• 2.3 AES加密算法数学基础22-24
• 2.3.1 有限域22-23
• 2.3.2 域GF(2~8)数学运算23-24
• 2.4 蓝牙4.0 BLE安全介绍24
• 2.5 资源受限芯片设计准则24-25
• 2.6 本章小结25-28
• 第三章 AES加密核设计与实现28-40
• 3.1 蓝牙4.0 BLE中加解密模块设计需求分析28-29
• 3.2 加密模块整体结构设计29-31
• 3.2.1 AES加密模块实现结构分析29-30
• 3.2.2 AES加密模块结构设计及优化30-31
• 3.3 MixColumns设计31-33
• 3.4 S-Box设计33-36
• 3.4.1 基于查找表实现33-34
• 3.4.2 基于GF域实现34
• 3.4.3 组合逻辑实现34-35
• 3.4.4 S-Box实现方法分析35-36
• 3.5 AES加密模块具体设计36-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第四章 蓝牙4.0中CCM加解密模块设计与实现40-52
• 4.1 蓝牙4.0CCM外围模块设计40-41
• 4.2 CCM加解密模块总体结构设计分析41-43
• 4.3 主控模块状态机设计43-45
• 4.4 CCM加解密模块具体设计45-50
• 4.4.1 主控模块47-49
• 4.4.2 A_i生成模块49-50
• 4.4.3 B_i生成模块50
• 4.5 本章小结50-52
• 第五章 验证及结果分析52-62
• 5.1 RTL代码仿真52-55
• 5.1.1 仿真环境及流程52-53
• 5.1.2 三种S-Box仿真对比分析53-54
• 5.1.3 两种AES加密核仿真对比分析54
• 5.1.4 两种CCM加解密模块仿真对比分析54-55
• 5.2 FPGA验证55-60
• 5.2.1 两种AES加密核对比分析57-58
• 5.2.2 两种CCM加解密模块对比分析58-60
• 5.3 本章小结60-62
• 第六章 总结与展望62-64
• 6.1 总结62
• 6.2 展望62-64
• 参考文献64-68
• 致谢68-70
• 攻读硕士学位期间发表的论文70

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本文编号：376057