《AVR单片机的RC5和RC6算法比较与改进.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《AVR单片机的RC5和RC6算法比较与改进.doc（9页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、AVR单片机的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
2、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R
3、C6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16,32,64r加密轮数0255b密钥的字节长度02551.2 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：模2w加法运算，表示为“+”；模2w减法运算，表示为“-”；逐位异或运算，表示为+；循环左
4、移，字a循环左移b比特表示为“ab”；模2w乘法，表示为“”。RC5算法运用了上述的运算部分，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S0=Pwfor i=1 to t-1 doSi=Si-1+Qw输入比特数大小为8，密钥长度为b的用户密钥K0至Kb-1转换K0至Kb-1为数组长度为c，比特数为w的L数组i=j=0 x=y=0do 3max(t,c)times：Si=(Si+x+y)3;X=Si;i=(i+1)mod tLj=(Lj+x+y)(x,y);X=Lj;j=(j+1)modC其中c=b8/w方括号表示上取整运算，t=2r+2，
5、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W163264Pw0xB7E10xB7E151630xB7E151628AED2A6BQw0x9E370x9E3779B90x9E3770B97F4A7C15（2）RC5加密算法过程的伪代码表示Input(A,B)A=A+S(0)B=B+S1for i=1 to r doA=(A+B)B)+S2iB=(B+A)A)+AA=(A-S2i)B)+BA=A-S0 B=B-S1Output (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
6、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+S0D=D+S1for i=1 to r dot=(B(2B+1)log2wu=(D(2D+1)1og2wA=(A+t)t)+S2iC=(C+u)u)+S2i+1(A,B,C,D)=(B,C,D,A)A=A+S2i+2C=C+S2i+3Output(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Inp
7、ut(A,B,C,D)C=C-S2i+3A=A-S2i+2for i=1 to r do(A,B,C,D)=(D,A,B,C)u=(D(2D+1)log2wt=(B(2B+1)t)+uA=(A-S2(r-i)+2)u)+tD=D-S1 B=B-S0Output(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
8、RC5和RC6算法的改进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。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。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
9、为要执行移位次数的后四位。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（015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。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
10、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。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 result2clr result3ldi count1,16lsr chengshu1ror chengshu0chengfa0:brcc chengfa1add result2,beichengshu0adc result3,beichengshu1chengfa1:ror
11、 result3ror result2ror result1ror result0dec count1brne chengfa0ret3 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/s程序大小/字ctRC5算法15 2481270.67141826RC6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/s程序大小/字共处理数据的位数效率/
12、（位/s)RC5算法2511209.256632约为152 927RC6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/s程序大小/字共处理数据的位数效率/（位/s）RC5 算法2509209.086832约为153 051RC6 算法625275210.5817664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/s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
13、18 594RC6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
14、、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。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。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。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
15、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。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。
