實現rc4加/解密的裝置及其方法
2023-11-09 16:52:12 1
專利名稱：實現rc4加/解密的裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及無線區域網(WLAN ffireless Local Area Network)領域中媒體訪問層(MAC Medium Access Control)的設計及實現技術領域,尤其涉及一種高吞吐率、低延遲的RC4加/解密的裝置及其方法。
背景技術：
無線區域網正以驚人的速度日益普及井深入到日常生活和工作的各個領域。在當今信息爆炸的時代，高的數據傳輸速率是其發展的ー個重要方向。2009年通過的IEEE802. I In標準的最高吞吐率達到600Mbps以上，目前吞吐率超過IGbps的IEEE 802. I Iac標準也已在起草中。無線網絡是開放的網絡，任何人都可以監聽通信的過程，因此其安全性尤為重要。IEEE 802. Ili標準詳細規定了無線區域網的安全方案，包括TKIP和CCMP兩種安全協議。TKIP是對最初的WEP安全協議的升級，使用RC4算法進行數據的加/解密。RC4是ー種分組對稱加密算法，具有安全性高、實現簡單等優點，廣泛應用於無線網絡安全中。RC4加密的基本思想是，生成一個叫密鑰流的偽隨機序列字節流，然後與明文數據相異或，生成密文。解密算法與加密算法一致，使用相同的密鑰流與密文異或得到明文。RC4加密算法關鍵在於生成偽隨機的密鑰流。RC4實際上包含兩個算法一個是密鑰調度算法(Key Scheduling Algorithm),它是將RC4加密密鑰(64位或128位)按一定算法與S盒中的初始狀態S {0，1，ロ，N-1}運算，得到新的置亂後的狀態序列。具體說，這個算法的步驟是I)建立ー個I字節X 256的陣列，稱為S-B0X，先用0-255按順序依次填充S-B0X。然後再建立ー個I字節X 256的陣列，叫做Κ-Β0Χ，用RC4加密密鑰(64位或128位)順序填充Κ-Β0Χ,密鑰用完後重複使用直到填滿為止。2)將S-BOX中的每個字節依次(從第I個字節開始)與S-BOX中的另外ー個字節(該字節的地址由特定算法給出)互換，完成S-BOX的初始化。密鑰調度算法的偽代碼描述如下，其中，S[i]是S-BOX中第i個單元的值，S[j]是S-BOX中第j個單元的值
KSA(K)//S-box 初始化
H=O;
For i=0 to N-I
S[i]=i；
For i=0 to N-Ij=j+ S[i]+K[i mod L];
SWAPS[i],SD]；
另一個算法是偽隨機序列產生算法(Pseudo-Random Generation Algorithm),是利用上一步產生的打亂後的S-BOX來產生ー個偽隨機序列，使用該隨機序列加/解密數據。算法的偽代碼描述如下，其中Z[i]即為生成的密鑰流
PRGA(K) //密鑰流生成i=0 ;
J=O;
i=(i+l) mod N; j=G+ S[i])modN;
SWAPS[i],SD]；Z[i]=S[S[i]+SD]]；在算法的硬體實現中，毎次S-BOX交換都要進行兩次讀操作與兩次寫操作，如何提高S-BOX交換效率成為提高加密吞吐率的關鍵因素。在傳統的實現方式中通常需要3個時鐘周期完成一次S-BOX交換操作。在文獻M中，使用ー塊256X8的雙端ロ RAM作為S-BOX存儲，在RAM兩端ロ採用相位相反的時鐘，實現了兩個時鐘周期完成一次交換。但是由於這種實現方法需要兩個不同的時鐘，在邏輯綜合時需要將兩個不同的時鐘分別作用 的邏輯施加不同的約束。另外，該實現方法對兩個時鐘的相位有著較為嚴格的要求，如果時鐘出現偏差，將導致更新失效。算法實現時的另外ー個問題是，S-BOX初始化需要較長的時間，而在初始化完成之後，才能夠開始產生密鑰流。在傳統設計中，順序處理KSA和PRNA過程，這樣勢必會造成加密幀流相對明文幀流有一個較大的延遲，同時也會減小加密引擎的呑吐率。在WLAN中，進行加密過程吋，發送站點能夠知道下一個數據包的計數序號，並能夠通過該序號以及給定的密鑰計算出用於下ー個數據包加密的密鑰；而在解密過程中，接收站點從ー個發送站點接收連續的數據包，在接收到擴展的MAC頭部分之後，能夠得知幀序號，將該幀序號加I可以推斷出下一個要接收數據包的解密密鑰。因此，在接收到擴展的MAC頭之後，就可以開始下ー個要接收的數據包的密鑰初始化。通過這種預處理下一個數據包的密鑰的方式，可以減少因為密鑰預處理過程而引起的延遲，同時提高數據包吞吐率。
發明內容
本發明目的之ー在於提供ー種適用於IGbps高速無線區域網MAC控制器的RC4加
/解密裝置及其方法。根據本發明的ー個方面，提供實現RC4加/解密的裝置包括第一密鑰盒子、第二密鑰盒子，及構成數據流桌球結構的第一密鑰調度控制單元、第二密鑰調度控制單元、第一 S-BOX存儲器、第二 S-BOX存儲器、第三S-BOX存儲器、第一偽隨機序列產生控制単元、第二偽隨機序列產生控制単元；其中，所述第一 S-BOX存儲器、第二 S-BOX存儲器、第三S-BOX存儲器存儲密鑰初始化及密鑰流生成操作中間過程中的值；
所述第一密鑰調度控制單元調用所述第一密鑰盒子存儲的密鑰，所述第二密鑰調度控制單元調用所述第二密鑰盒子存儲的密鑰，按RC4算法交替對所述三個S-BOX存儲器中空閒的S-BOX存儲器進行初始化；所述第一偽隨機數產生控制単元與所述第二偽隨機數產生控制単元，交替對所述三個S-BOX存取器中已初始化完畢的S-BOX存儲器進行置換，以產生加/解密的偽隨機密鑰流。根據本發明提供的一種實現RC4加/解密的裝置及其方法，將密鑰流的生成效率提高了 50%，使RC4加密引擎的呑吐率提高了一倍，同時減小了密鑰流的延遲。
圖I是本發明實施例提供的基於桌球結構及密鑰預處理結構的RC4加解密裝置總體結構框圖；
圖2是本發明實施例提供的基於鏡像RAM的S-BOX交換結構框圖；圖3是本發明實施例提供的基於鏡像RAM的S-BOX交換結構操作時序示意圖。
具體實施例方式傳統的實現方法中，存在S-BOX交換效率過低、吞吐率不高的問題。在能夠提高吞吐率的方法中，又對時鐘相位有嚴格的要求，加大了時鐘樹插入及滿足時序要求的難度。基於上述問題，本發明提供了一種在不增加時序要求的前提下，提高RC4加/解密吞吐率及減小密鑰流延遲的方法。為達到上述目的，本發明提出了一種鏡像RAM密鑰流生成方法，將密鑰流的生成效率提高了 50% ;提供了ー種桌球結構的數據流處理方法和ー種S-BOX預初始化方法，使RC4加密引擎的呑吐率提高了一倍，同時減小了密鑰流的延遲。在160M時鐘下，本發明提供的加/解密裝置吞吐率可達到I. 25Gbps。下面結合圖I至圖4對本發明所提供的RC4加/解密裝置及方法進行說明。如圖I所示，提供了實現RC4加/解密的裝置，其包括第一密鑰盒子、第二密鑰盒子，及構成數據流桌球結構的第一密鑰調度控制單元、第二密鑰調度控制單元、第一 S-BOX存儲器、第二 S-BOX存儲器、第三S-BOX存儲器、第一偽隨機序列產生控制単元、第二偽隨機序列產生控制単元，異或門及輸入輸出緩存。其中，第一密鑰盒子與第二密鑰盒子為兩個16X8的寄存器堆，用來存儲數據包的加/解密密鑰。RC4加密密鑰由會話密鑰、發送端MAC地址與初始化向量(IV)經過一定的算法混合而成，長度為64位或128位。第一密鑰調度控制單元與第二密鑰調度控制單元為兩個獨立的密鑰初始化控制單元。在第一密鑰調度控制單元調用第一密鑰盒子存儲的密鑰及第ニ密鑰調度控制單元調用第二密鑰盒子存儲的密鑰後，按RC4算法交替對所述三個S-BOX存儲器中空閒的S-BOX存儲器進行初始化。初始化的具體順序為首先第一密鑰調度控制單元與第二密鑰調度控制單元同時分別對第一 S-BOX存儲器與第二 S-BOX存儲器進行初始化；之後對S-BOX存儲器按照第三S-BOX存儲器-第二 S-BOX存儲器-第三S-BOX存儲器-第一 S-BOX存儲器-第二 S-BOX
存儲器......的順序進行初始化，而相應的密鑰調度単元操作的順序是交替的方式，即按
照第一密鑰調度控制單元一第二密鑰調度控制單元一第一密鑰調度控制單元......_的順序。初始化步驟可按照以下順序(I)第一密鑰調度控制單元一第一 S-BOX存儲器；(2)第二密鑰調度控制單元一第二 S-BOX存儲器；(3)第一密鑰調度控制單元一第三S-BOX存儲器；(4)第二密鑰調度控制單元一第一 S-BOX存儲器；(5)第一密鑰調度控制單元一第二 S-BOX存儲器； (6)第二密鑰調度控制單元一第三S-BOX存儲器；(7)第一密鑰調度控制單元一第一 S-BOX存儲器。第一 S-BOX存儲器、第二 S-BOX存儲器及第三S-BOX存儲器相同，但獨立，用於存儲密鑰初始化及密鑰流生成操作中間過程中的值。第一偽隨機序列產生控制単元與第二偽隨機序列產生控制単元，使用初始化完畢的S-BOX產生加密數據包所需的偽隨機密鑰流。這兩個偽隨機序列產生控制単元交替按照輪詢的順序訪問三個S-BOX存儲單元，構成桌球結構的數據流加密/解裝置，提高了加/解密運算的呑吐率。另外對每ー個數據包，密鑰初始化過程及偽隨機序列生成過程都可以流水進行，從而減小了輸出數據流對輸入數據流的延遲。基於圖I所示RC4加解密裝置的數據包加/解密的步驟包括步驟SI、加/解密裝置獲得第一幀數據的加/解密密鑰，以及由此推斷出的第二幀數據的密鑰。步驟S2、按照RC4算法，分別使用相應密鑰對第一密鑰盒子、第二密鑰盒子進行填充；將第一 S_B0X存儲器及第ニ S_B0X存儲器中的雙端ロ RAM的內容依次用0-255填充。步驟S3、按照RC4的密鑰調度算法，由第一密鑰調度控制單元和第二密鑰調度控制単元，分別對第一 S_B0X存儲器、第二 S_B0X存儲器進行初始化。步驟S4 :第一偽隨機數產生控制単元通過操作已經初始化完畢的第一 S_B0X存儲器產生用於加/解密第一幀數據的偽隨機密鑰流。步驟S5 :在執行步驟S4的同時，如果第二幀數據到達，則第二偽隨機數產生控制単元通過操作已經初始化完畢的第二 S_B0X存儲器產生用於加/解密第二幀數據的密鑰流。同時，根據所推斷出的第三幀數據的密鑰，由第一密鑰調度控制單元對第三S_B0X存儲器進行步驟S1-S3的初始化操作。步驟S6 :第三幀數據到達時，第一偽隨機數產生控制単元通過操作已經初始化完畢的第三S_B0X存儲器產生用於加/解密第三幀數據的密鑰流。同時，獲得所推斷出的第四幀數據的密鑰，由第二密鑰調度控制單元對第一 S_B0X存儲器初始化操作。偽隨機密鑰流產生的順序可包括(I)第一偽隨機數產生控制単元使用初始化完畢的S-BOXl產生第一幀的密鑰流，第一幀加密完成第一幀後S-BOXl即處於空閒狀態，可以進行上面提到的初始化；(2)第二偽隨機數產生控制單元使用初始化完畢的S-B0X2產生第二幀的密鑰流，之後的步驟同I)。注意這時候第I)步可能還未完成，即同時為兩個幀生成密鑰流；(3)第一偽隨機數產生控制単元使用初始化完畢的S-B0X3產生第三幀的密鑰流；(4)第二偽隨機數產生控制単元使用初始化完畢的S-BOXl產生第四幀的密鑰流。上述的RC4結構方案中，S-BOX的交換操作是最關鍵的環節。密鑰預初始化單元與偽隨機序列產生單元都需要對S-BOX進行讀寫操作以完成相應的算法，這兩個階段對S-BOX進行的置換操作在實現上是類似的，下面以偽隨機序列產生單元為例，詳細說明其結構與操作方法。如圖2所示，每個S-BOX存儲結構包含兩塊相同的256 X 8的雙埠 RAM (RAM_1及RAM_2)。這兩塊RAM作為鏡像RAM,在每個置換周期結束後,都完成相同的更新,從而保持內容的完全一致。第一偽隨機數產生控制單元和第二偽隨機產生控制單元都包含四個寄存器以及一個交換控制單元RC4_CU。其中，寄存器i_reg與地址寄存器j_reg用來存放置換過程中S_B0X的地址信息；數據寄存器Si_reg與數據寄存器Sj_reg用來暫存從S-B0X讀出的內容。RC4_CU是完成S-BOX置換操作的控制核心，按照一定的時序實現近似在兩個時鐘周期完成一次S-BOX置換操作。下面以解密接收到的1000位元組長的802. 11幀流為例，詳細說明本發明的工作步驟步驟I :加/解密裝置獲得第一幀數據的加/解密密鑰，以及由此推斷出的第二幀 數據的密鑰，將這兩個密鑰分別填充至第一密鑰盒子及第二密鑰盒子。按照RC4算法，分別由第一密鑰調度控制單元、第二密鑰調度控制單元控制單元對第一 S_B0X存儲器、第二 S_BOX存儲器中的雙埠 RAM依次用0-255填充，該過程需要128個時鐘周期(兩個埠同時寫入)。步驟2 :按照RC4的密鑰調度算法，由第一密鑰調度控制單元和第二密鑰調度控制單元，分別對第一 S_B0X存儲器、第二 S_B0X存儲器進行初始化，該步驟需要514個時鐘周期。步驟3 :第一偽隨機數產生控制單元通過操作已經初始化完畢的第一 S_B0X存儲器產生用於加/解密第一幀數據的密鑰流，該步驟需要2002個時鐘周期。在WLAN網絡中，數據幀之間存在SIFS時間的間隔，在第三幀數據到達之前，第一偽隨機數產生控制單元能夠完成第一幀數據的解密。步驟4 :在執行步驟3的同時，第二幀數據到達，第二偽隨機數產生控制單元通過操作已經初始化完畢的第二 S_B0X存儲器產生用於解密第二幀數據的密鑰流。同時，根據所推斷出的第三幀數據的RC4密鑰，由第一密鑰調度控制單元對第三S_B0X存儲器進行步驟I、步驟2的初始化操作。第三S_B0X存儲器的初始化操作需要642個時鐘周期，因此在第三幀數據到來之前，第三S_B0X存儲器已初始化完畢。步驟5 :第三幀數據到達時，第一偽隨機數產生控制單元通過操作已經初始化完畢的第SS_B0X存儲器產生用於解密第三幀數據的密鑰流。同時，獲得所推斷出的第四幀數據的密鑰，由第二密鑰調度控制單元對第一 S_B0X存儲器進行步驟I、步驟2的初始化操作。經過642個時鐘周期後，第一 S_B0X存儲器已經使用第四幀數據的RC4加/解密密鑰初始化完畢。通過以上步驟可以看出，本發明可以完成近似每個時鐘周期I個字節的加/解密吞吐率，時鐘為160M時，最高吞吐率約可達到I. 25Gbps。如圖3所示，以上第一 S-BOX存儲器、第二 S_B0X存儲器、第三S_B0X存儲器及第四S_B0X存儲器的置換操作(置換操作完成一次，生成一個字節的密鑰流，能夠對一個字節的明文進行加密。如果幀長為1000位元組，那麼要進行1000次這樣的置換操作)的步驟如下步驟I :RAM_1通過埠 A讀地址i。步驟2 :該步驟進行兩個操作，I) RAM_1通過埠 A讀取S&)，其中，j⑴為要與地址i做置換的地址，Sj⑴為S-BOX中地址j (i)存儲的內容。2) RAM_2通過埠 A將Si寫入地址j (i)，並保存Si的值至Si寄存器。步驟3 該步驟進行兩個操作，I) RAM_1通過埠 A對地址i寫S」⑴，通過埠 B對地址j寫Si,完成置換。2) RAM_2通過埠 B對地址i寫入Sj⑴，通過埠 A讀地址i+1，開始下一次置換。在此步驟後，RAM_1與RAM_2皆完成第一次置換。步驟4 :設i+1對應的置換地址為j (i+1)，該步驟進行兩個操作，I) RAM_1通過埠 A讀取Sj(i+1)，RAM_1通過埠 B讀地址tl(tl = SdSj⑴)，得到第一個密鑰流字節。2)RAM_2通過埠 A向地址j (i+1)寫入Si+1。步驟5 :該步驟進行兩個操作，I) RAM_1通過埠 A對地址i+1寫入Sj(i+1)，通過埠 B對地址j (i+1)寫入Si+1，完成置換。2)RAM_2通過埠 B向地址i+1寫入Sj(i+1)，通過埠 A讀地址i+2，開始下一次置換。在此步驟後，RAM_1與RAM_2完成第二次置換。由上述步驟可以看出，第一次置換需要4個時鐘周期，之後的每次置換操作需要2個時鐘周期。因此，可以在514個時鐘周期內完成密鑰調度過程(Key Scheduling)。在偽隨機序列生成階段，產生1000位元組的偽隨機密鑰流需要2002個周期。從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果I、本發明提供的基於鏡像RAM的S-BOX置換結構和方法，在不增加時序要求的前提下，實現了近似在兩個時鐘周期內完成一次S-BOX置換操作，與傳統實現方法相比，效率提聞了 50。2、本發明提供桌球加/解密結構及密鑰預初始化結構和方法，進一步提高了本RC4加/解密裝置的吞吐率，並大大減少了加/解密幀流的延遲。3、本發明提供的RC4加解密裝置，能夠在不太高的時鐘頻率下(eg. 160MHz)，滿足未來IGbps超高速無線區域網MAC控制器的要求，能夠直接應用於超高速無線區域網中。
權利要求
1.一種實現RC4加/解密的裝置，其特徵在於，包括用於存儲數據包的加/解密密鑰的第一密鑰盒子、第二密鑰盒子，及構成數據流桌球結構的第一密鑰調度控制單元、第二密鑰調度控制單元、第一 S-BOX存儲器、第二 S-BOX存儲器、第三S-BOX存儲器、第一偽隨機序列產生控制單元、第二偽隨機序列產生控制單元；其中，所述第一 S-BOX存儲器、第二 S-BOX存儲器、第三S-BOX存儲器存儲密鑰初始化及密鑰流生成操作中間過程中的值； 所述第一密鑰調度控制單元調用所述第一密鑰盒子存儲的密鑰，所述第二密鑰調度控制單元調用所述第二密鑰盒子存儲的密鑰，按RC4算法交替對所述三個S-BOX存儲器中空閒的S-BOX存儲器進行初始化；所述第一偽隨機數產生控制單元與所述第二偽隨機數產生控制單元，交替對所述三個S-BOX存取器中已初始化完畢的S-BOX存儲器進行置換，以產生加/解密的偽隨機密鑰流。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於 所述第一 S-BOX存儲器、第二 S-BOX存儲器及第三S-BOX存儲器使用鏡像RAM存儲結構，均包括256 X 8的雙埠 RAM_1、256 X 8的雙埠 RAM_2、用於暫存地址的寄存器、用於暫存中間交換數據的數據寄存器以及用於控制暫存中間交換數據的交換控制單元。
3.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於 所述第一偽隨機數產生控制單元、第二偽隨機數產生控制單元包括用來兩個存放置換過程中S_B0X的地址信息的寄存器、兩個用來暫存從S-BOX讀出內容的寄存器及完成S-BOX置換操作控制的置換操作控制器。
4.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於 所述RC4加密密鑰由會話密鑰、發送端MAC地址與初始化向量IV混合得到；該RC4加密密鑰長度為64位或128位。
5.根據權利要求2-4任一項所述的裝置，其特徵在於，還包括 異或門，用於將產生的所述偽隨機密鑰流與明文數據異或，從而產生密文。
6.基於權利要求5所述的一種實現RC4加/解密的方法，其特徵在於，包括 步驟SI、獲得第n幀數據的加解密密鑰，由此推斷出第n+1幀數據的密鑰； 步驟S2、按照RC4算法，使用所述第n幀數據加解密密鑰對第一密鑰盒子進行填充，使用第n+1幀數據的密鑰對第二密鑰盒子進行填充； 步驟S3、按照RC4的密鑰調度算法，由第一密鑰調度控制單元和第二密鑰調度控制單元，分別對第一 S_B0X存儲器、第二 S_B0X存儲器進行初始化； 步驟S4、通過第一偽隨機數產生控制單元對已經初始化完畢的第一 S_B0X存儲器進行置換，以產生用於加/解密的第n幀數據的偽隨機密鑰流； 步驟S5、在執行步驟S4的同時，如果第n+1幀數據到達，則通過第二偽隨機數產生控制單元對已經初始化完畢的第二 S_B0X存儲器進行置換，以產生用於加/解密的第n+1幀數據的偽隨機密鑰流；同時，根據所推斷出的第n+2幀數據的密鑰，由第一密鑰調度控制單元對第三S_B0X存儲器進行步驟1-3的初始化操作； 步驟S6、當第n+2幀數據到達時，通過第一偽隨機數產生控制單元對已經初始化完畢的第三S_B0X存儲器進行置換，以產生用於加/解密的第n+2幀數據的偽隨機密鑰流。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述第一偽隨機數產生控制單元對已經初始化完畢的第一 S_BOX存儲器進行置換，以產生用於加/解密的第n幀數據的偽隨機密鑰流或第二偽隨機數產生控制單元對已經初始化完畢的第二 S_BOX存儲器進行置換，以產生用於加/解密的第n+1幀數據的偽隨機密鑰流或通過第一偽隨機數產生控制單元操作對已經初始化完畢的第三S_BOX存儲器進行置換，以產生用於加/解密的第n+2幀數據的密鑰流包括 步驟Al RAM_1通過埠 A讀地址i ; 步驟A2 RAM_1通過埠 A讀取Sj⑴，其中，j(i)為要與地址i做置換的地址，Sj⑴為S-BOX中地址j (i)存儲的內容；RAM_2通過埠 A將Si寫入地址j (i)，並保存Si的值至Si寄存器； 步驟A3 RAM_1通過埠 A對地址i寫Sm」通過埠 B對地址j寫Si，完成置換；RAM_2通過埠 B對地址i寫入S」⑴，通過埠 A讀地址i+1，開始下一次置換；步驟A4 :設i+1對應的置換地址為j (i+1), RAM_1通過埠 A讀取Sj(i+1)，RAM_1通過埠 B讀地址tl ( tl=Si+Sj⑴)，得到第一個密鑰流字節；RAM_2通過埠 A向地址j (i+1)與入Si+1 ； 步驟A5 RAM_1通過埠 A對地址i+1寫入Sj(i+1)，通過埠 B對地址j (i+1)寫入Si+1，完成置換；RAM_2通過埠 B向地址i+1寫入Sw+1)，通過埠 A讀地址i+2，開始下一次置換。
全文摘要
本發明公開了一種實現RC4加/解密的裝置及其方法，其中裝置包括用於存儲數據包的加/解密密鑰的第一密鑰盒子、第二密鑰盒子，及構成數據流桌球結構的第一密鑰調度控制單元、第二密鑰調度控制單元、第一S-BOX存儲器、第二S-BOX存儲器、第三S-BOX存儲器、第一偽隨機序列產生控制單元、第二偽隨機序列產生控制單元。根據本發明提供的實現RC4加/解密的裝置及其方法，將密鑰流的生成效率提高了50%，使RC4加密引擎的吞吐率提高了一倍，同時減小了密鑰流的延遲。
文檔編號H04L9/18GK102752107SQ20111009791
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月19日 優先權日2011年4月19日
發明者吳斌, 周玉梅, 尉志偉, 楊坤, 程鵬, 馬洪亮 申請人:中國科學院微電子研究所