优化KLEIN加密算法：兼顾面积与速率的FPGA实现

本篇论文主要探讨了KLEIN加密算法的优化研究，该算法在小型硬件平台上的实现策略着重于面积优化和吞吐率的提升。作者针对加密算法中的关键步骤，如S盒变换和密钥扩展，进行了创新性的设计。 首先，论文提出了一种构造Tab盒的方法，通过使用1×16位的空间预存储置换表，使得S盒变换能以O(1)的查表效率进行，显著提高了效率。这种设计使得加密过程不再受限于传统查找表的访问时间，从而加快了加密速率。 其次，密钥扩展部分采用了上升沿有效的时钟控制机制，避免了对下一次时钟周期的依赖，减少了系统延迟。通过这种方式，算法在实时性和性能上得到了优化。 为了进一步节省资源，论文还提出将明文的S盒替换和密钥扩展的S盒替换合并到同一模块中，并采用连续赋值的方式，这样可以减少寄存器的数量，进一步减小硬件实现所需的资源。 更进一步，所有基础子模块，包括S盒、字节替换、行移位、Tab盒、列混合变换以及密钥扩展，都被整合到一个模块中。这样做的好处是显著降低了算法的实现面积和运行时的代码开销，提高了整体的集成度和效率。 论文通过在Xilinx Virtex-5 FPGA上的实验验证，结果显示优化后的KLEIN算法在该硬件平台上实现了高达6.55 Gbps的吞吐率，同时将硬件面积大幅度缩减至10,277 slices。这表明优化后的算法在保持高效加密的同时，成功地兼顾了硬件资源的使用效率。 这篇论文提供了一种有效的方法，通过面积优化和性能提升，使得KLEIN加密算法在实际应用中更具竞争力，特别是在资源有限的嵌入式系统和FPGA环境中。这对于提高密码学算法在实时性和硬件效率方面的表现具有重要的实践价值。