可重构移位单元的设计与实现

在对称密码算法中移位操作使用频率非常高，尤其是在密钥生成中的应用。但各种算法之间的移位位宽和移位长度并不一致，所以现有的密码处理系统中还没有一个通用的移位单元支持所有对称密码算法的移位操作。本文在研究了多种对称密码算法的基础上，分析了高效灵活实现移位单元的方法，并提出了一种基于多级网络的可重构移位单元，它可以支持4/8/28/32/128-bit 移位位宽以及可变移位长度的移位操作。此单元的设计与实现，不仅增强了密码处理单元的通用性，还使得可重构密码芯片的实现成为可能。
随着通信和网络技术的飞速发展，安全应用的范围越来越广，而采用对称密码是提供保密性服务的主要手段。作为基础密码模块，对称密码可用于构造伪随机数产生器、流密码、认证码和Hash 函数等，也可以作为消息或实体认证、数据完整性和数字签名方案等的核心部件。但是对于一种密码算法，系统不仅要求其在安全方面有很高的可靠性和保密性，还要求它能够使用软、硬件高效灵活的实现。
在硬件设计方面，以前往往采用专用集成电路 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)来实现密码处理系统。它的缺点是灵活性不够，只能实现固定的一种算法或将几种算法的IP 核集成到一起，当有新的算法产生时，只有重新设计密码芯片或IP 核。因此可重构的密码处理系统的设计与实现已经成为了新的发展趋势[1]，而一个庞大的可重构密码系统是由多个可重构的密码运算单元共同组成的，而可重构的移位单元，就是其中一种密码处理单元。灵活、通用的移位单元的设计与实现，将会使一个芯片内集成更多的对称密码算法，同时资源消耗与处理性能不会受到影响。而目前的设计中并没有一个通用的可重构移位单元来支持对称密码算法中所有的移位操作。
本文就针对这一问题，对移位操作的特性进行了研究与分析，并提出了一种支4/8/28/32/128-bit移位位宽的任意移位长度的移位单元的设计方案，它不仅性能可以满足密码处理的需求，而且关键是达到了通用的目的，为可重构密码系统的设计与实现提供了基础。