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AVR单片机中RC5和RC6算法比较与改进

摘要:RC5及RC6是两种新型的分组密码。AVR高速嵌入式单片机功能强大,在无线数据传输应用方面很有优势。本文基于Atmega128高速嵌入式单片机,实现RC5和RC6加密及解密算法,并对算法进行汇编语言的优化及改进。根据实验结果。对两种算法的优热点进行比较和分析。

关键词:Atmega128 RC5 RC6 分组密码 混合密钥 Flash

引言

在无线局域网中,传输的介质主要是无线电波和红外线,任何具有接收能力的窍听者都有可能拦截无线信道中的数据,掌握传输的内容,造成数据泄密。因此,对于无线局域网来说,数据的加密是关键技术之一。

AVR高速嵌入式单片机是8位RISC MCU,执行大多数指令只需一个时钟周期,速度快(8MHz AVR的运行速度约等于200MHz C51的运行速度);32个通用寄存器直接与ALU相连,消除和运算瓶颈。内嵌可串行下载或自我编程的Flash和EPPROM,功能繁多,具有多种运行模式。

依照IEEE1999年发布的802.11无线局域网协议标准,采用Atmel公司的Atmega128高速嵌入式单片机,开发无线数据传输装置。为了实现无线数据传输时的安全性,同时尽可能节省成本,采用软件进行加密、解密。这就对算法的简法性、高速性及适应性提出了很高的要求。RC5和RC6两种新型的分组加密算法能够比较好地满足上述的要求。

1 RC5及RC6算法

1.1 RC5及RC6的参数

RC5及RC6是参数变量的分组算法,实际上是由三个参数确定的一个加密算法族。一个特定的RC5或者RC6可以表示为RC5-w/r/b或者RC6-w/r/b。其中这三个参数w、f和b分别按照表1所列定义。

表1 RC5及RC6算法参数定义

参  数
定  义常  用
w
以比特表示的字的尺寸16,32,64
r
加密轮数0~255
b
密钥的字节长度0~255

1.2 RC5及RC6字运算部件

RC5及RC6均由三部分组成,分别为混合密钥生成过程、加密过程和解密过程。在这两种算法中,共使用了六种基本运算:

①模2w加法运算,表示为“+”;

②模2w减法运算,表示为“-”;

③逐位异或运算,表示为+;

④循环左移,字a循环左移b比特表示为“a<<<b”;

⑤循环右移,字a循环右移b比特表示为“a>>>b”;

⑥模2w乘法,表示为“×”。

RC5算法运用了上述的①~⑤运算部分,RC6算法使用了上述所有的运算部件。

1.3 RC5算法

(1)RC5算法混合密钥生成过程的伪代码表示

S[0]=Pw

for i=1 to t-1 do

S[i]=S[i-1]+Qw

输入比特数大小为8,密钥长度为b的用户密钥K[0]至K[b-1]

转换K[0]至K[b-1]为数组长度为c,比特数为w的L[]数组

i=j=0 x=y=0

do 3×max(t,c)times:

S[i]=(S[i]+x+y)<<<3;X=S[i];i=(i+1)mod t

L[j]=(L[j]+x+y)<<<(x,y);X=L[j];j=(j+1)modC

其中c=[b×8/w]方括号表示上取整运算,t=2r+2,当w分别为16、32、64时,常数Pw、Qw分别如表2所列。

表2 常数Pw、Qw取值表

W
163264
Pw
0xB7E10xB7E151630xB7E151628AED2A6B
Qw
0x9E370x9E3779B90x9E3770B97F4A7C15

(2)RC5加密算法过程的伪代码表示

Input(A,B)

A=A+S(0)B=B+S[1]

for i=1 to r do

A=((A+B)<<<B)+S[2i]

B=((B+A)<<<A)+S[2i+1]

Output(A,B)

其中初始的A、B分别为要加密的两个比特数为w的数据,最终的A、B分别为加密好的两个比特数为w的数据。

(3)RC5解密算法过程的伪代码表示

Input(A,B)

for i=r down to 1 do

B=((B-S[2i+1])>>>A)+A

A=((A-S[2i])>>>B)+B

A=A-S[0] B=B-S[1]

Output (A,B)

其中初始A、B中的数据就是已经加密了的比特数为w的数据,最终的A、B中的数据为解密后的比特数为w的数据。

1.4 RC6算法

(1)RC6算法混合密钥生成过程伪代码表示

RC6混合密钥生成过程与RC5相同,只是t的取值为2r+4。

(2)RC6加密算法过程伪代码表示

Input(A,B,C,D)

B=B+S[0]D=D+S[1]

for i=1 to r do

t=(B×(2B+1))<<<log2w

u=(D×(2D+1))<<<1og2w

A=((A+t)<<<t)+S[2i]

C=((C+u)<<<u)+S[2i+1]

(A,B,C,D)=(B,C,D,A)

A=A+S[2i+2]C=C+S[2i+3]

Output(A,B,C,D)

其中初始的A、B、C、D分别为要加密的四个比特数为w的数据,最终的A、B、C、D分别为加密好的四个比特数为w的数据。

(3)RC6解密算法过程的伪代码表示

Input(A,B,C,D)

C=C-S[2i+3]A=A-S[2i+2]

for i=1 to r do

(A,B,C,D)=(D,A,B,C)

u=(D×(2D+1))<<<log2w

t=(B×(2B+1))<<<log2w

C=((C-S[2(r-i)+3])>>>t)+u

A=((A-S[2(r-i)+2])>>>u)+t

D=D-S[1] B=B-S[0]

Output(A,B,C,D)

其中初始的A、B、C、D分别为已经被加密的四个比特数为w的数据,最终的A、B、C、D分别为解密后的四个比特数为w的数据。

2 RC5和RC6算法的实现及改进

2.1 AVR单片机的RC5和RC6算法流程

RC5及RC6算法加密过程实现流程图如图1所示,解密过程实现流程图如图2所示,总体过程流程图如图3所示。

2.2 AVR单片机RC5和RC6算法的改进

①在进行算法流程的安排时,考虑到AVR高速嵌入式单片机只有32个8位寄存器,为了节省寄存器的使用,应该在混合密钥生成过程执行后,再把待加密的数据赋予寄存器。这样在混合密钥生成过程以前的寄存器都可以被使用,而不会对整个算法的执行结果造成影响。

②在进行RC5及RC6算法参数的选择时,考虑到AVR高速嵌入式单片机指令最多只支持16位数据相加以及程序的简洁化,所以在本程序中选择w为16而没有选择w为32,r和b的值依据Rivest的建议分别取为12和16。

③在执行算法中的左循环或者右循环运算时,考虑到循环移位的效果,实际循环移位的位数应该为要执行移位次数的低1log2w位。在本程序中为要执行移位次数的后四位。

④在执行算法中的模2w加法运算、模2w减法运算、模2w乘法运算时,由于2w的取值为65536,而2个8位寄存器(0~15位)最高可以表示数据的值为65535,数据再大就要向高位进位,所以在本程序执行上述的算法只需要考虑到2个8位寄存器所表达的值就得到了上述运算的最终结果,而不用再进行模2w运算。

⑤为了提高数据加密及解密的速率,可以把混合密钥生成过程提前执行,以使之生成一张混合密钥表。把这个表装入发送数据端Atmega128高速嵌入式单片机和接收数据端Atmega128高速嵌入式单片机的Flash中,从而在以后的加密与解密过程中直接使用混合密钥。值得注意的是,每当用户输入的用户密钥发生改变时,必须重新执行混合密钥生成过程,并且重新给Flash装载重新生成后的混合密钥表。在本程序中,RC5混合密钥表共占据52个8位寄存单元,RC6混合密钥表共占据56个8位存储单元。

⑥在本程序中运用加法运算以及移位运算实现了16位二进制数乘以16位二进制数的无符号运算。该运算的子程序如下:

chengfa:clr result2

clr result3

ldi count1,16

lsr chengshu1

ror chengshu0

chengfa0:

brcc chengfa1

add result2,beichengshu0

adc result3,beichengshu1

chengfa1:

ror result3

ror result2

ror result1

ror result0

dec count1

brne chengfa0

ret

3 RC5及RC6算法实验结果及其比较与分析

RC5及RC6算法实验的混合密钥过程、加密过程、解密过程和总体过程的效果比较如表3、4、5、6所列。

表3 RC5及RC6算法混合密钥过程效果比较

混合密钥生成过程
周期计数停止观察/μs程序大小/字ct
RC5算法
15 2481270.67141826
RC6算法
15 2461270.50141828

表4 RC5及RC6算法加密过程效果比较

加密过程(不考虑生成混合密钥的时间)
周期计数停止观察/μs程序大小/字共处理数据的位数效率/(位/s)
RC5算法
2511209.256632约为152 927
RC6算法
625295210.7517064约为12 282

表5 RC5及RC6算法解密过程效果比较

解密过程(不考虑生成混合密钥的时间)
周期计数停止观察/μs程序大小/字共处理数据的位数效率/(位/s)

RC5 算法 2509 209.08 68 32 约为153 051 RC6 算法 62527 5210.58 176 64 约为12 283

表6 RC5及RC6算法总体过程效果比较

总体算法过程(考虑生成混合密钥的时间,不考虑数据传输所用的)
周期计数停止观察/μs程序大小/字共处理数据的位数效率/(位/s)
RC5算法
20 2601688.3326732约为18 594
RC6算法
140 27411 689.5045564约为5475

由表3可以发现,RC6算法和RC5算法在混合密钥生成时程序的大小相同,但量RC6算法却比RC5算法省时。这是因为根据混合密钥生在方法在执行循环,最终生成混合密钥时要执行比较操作。当超出了比较范围t时,要对指针地址重新复位。RC6算法t的取值大于RC5算法中t的取值,因此RC6算法执行了较少的复位操作。从而节省了运行周期,故RC6算法比RC5算法在生成混合密钥时省时。

以上所有实验结果均是在AVR Studio4.07仿真软件上选用Atmel公司的Atmega128高速嵌入式单片机为实验设备平台。选取参数w=16、r=12、b=16,并根据计算公式求得c=8,t=26(RC5算法)或者t=28(RC6算法)在12MHz运行速度下模拟所得。

从实验结果所得的表3、表4、表5、表6可以明确得出以下结论。

①从程序的执行效率来看,无论在加密还是在解密过程中,RC5算法都要比RC6算法执行效率高。

因此,在一些非常注重程序执行效率,而对数据安全性要求不是非常高的情况下,应该采用RC5算法。

②从程序的执行时间来看,无论在加密过程不是在解密过程中,RC5算法都要比RC6算法省时。因此,在一些对程序执行时间长短要求很高,对数据安全性要求不是非常高的情况下,可以采用RC5算法。

③从程序的大小来看,无论在加密过程中还是在解密过程中,RC5算法都要比RC6算法更简洁。因此,在一些对程序所用空间大小要求很高,对数据安全性要求不是非常高的情况下,可以采用RC5算法。

④从安全性角度考虑,RC6算法是在RC5算法基础之上针对RC5算法中的漏洞,主要是循环移位的位移量并不取决于要移动次数的所有比特,通过采用引入乘法运算来决定循环移位次数的方法,对RC5算法进行了改进,从而大大提高了RC6算法的安全性。因此,在一些对数据安全性要求很高的情况下,应该采用RC6算法。

结语

RC5及RC6算法是两种新型的分组密码,它们都具有可变的字长,可变的加密轮数,可变的密钥长度;同时,它们又只使用了常见的初等运算操作,这使它们有很好的适应性,很高的运算速度,并且非常适合于硬件和软件实现。两种算法各有其优缺点,在工程应用中应该根据实际需要选择最适合的方法,以得到最优的效果。