高吞吐率AES硬件实现：内外混合流水线优化

"该文提出了一种基于加解密轮内外混合流水线的128位AES算法硬件实现方法，旨在提升性能和吞吐率。传统实现方式常使用查找表来处理SubBytes和InvSubBytes步骤，而此设计通过组合逻辑单元实现了这些转换，减少了硬件面积，并将逻辑单元细分为6级次级流水线，充分挖掘轮内和轮外的流水线潜力。在Altera DE2-115 FPGA平台上，该设计实现了570 MHz的工作频率，达到73.562 Gb/s的高吞吐率。文章还探讨了AES算法在密码学中的重要性，以及AES硬件实现相对于软件实现的优势，特别是在大数据时代对高吞吐率的需求。现有的AES硬件优化策略包括轮外、轮内流水线和循环迭代结构，而本文提出的内外混合流水线结构是对这些方法的进一步改进。尽管其他研究已经尝试优化流水线路径和循环展开结构，但本文的设计在吞吐率/面积比方面有所提升。" AES加密标准，全称为高级加密标准（Advanced Encryption Standard），是由NIST在2000年选定的Rijndael算法，以替代原来的DES标准。AES是一种块密码，使用128位的密钥和数据块进行加密，具有多种密钥长度（128、192、256位）。在硬件实现中，AES的优化至关重要，因为它直接影响到加密和解密的速度。 本文的核心创新在于内外混合流水线结构，这使得AES硬件实现能够高效地并行处理多个数据块，显著提升了吞吐率。传统的SubBytes和InvSubBytes操作通常依赖于查找表，这会占用较大的硬件资源。而该设计使用了组合逻辑单元，减少了硬件面积，并通过6级次级流水线进一步优化了处理效率。这种优化不仅减少了硬件成本，还提高了加密器在高频率下的运行能力。 在实际应用中，如智能卡、移动通信、网络服务器、ATM和云存储等领域，AES硬件实现的高速处理能力和物理安全性尤为关键。尤其是在云存储中，随着用户数量的增长，提高AES的吞吐率可以确保大量数据的快速加密和解密，保证数据安全的同时，满足高并发访问的需求。 本文提供的内外混合流水线结构的AES硬件实现，是针对现有技术的一种改进，它在保证加密性能的同时，有效地减少了硬件资源的占用，并通过优化流水线设计提高了吞吐率，这对于应对现代大数据环境中的安全挑战具有重要意义。