优化AES加密：低面积复杂度掩码方案与安全提升

本文主要研究了低面积复杂度的AES（高级加密标准）低熵掩码方案，该方案是在Nassar等人提出的循环移位S盒掩码方案（RSM）基础上进行的改进。作者姜久兴、厚娇、黄海、赵玉迎和冯新新来自哈尔滨理工大学的不同学院，他们在2019年5月发表的研究中探讨了如何通过优化S盒设计来降低加密系统的硬件复杂度，同时提高安全性和吞吐量。 首先，文章介绍了循环移位S盒掩码方案（RSM），这是一种用于保护AES算法免受侧信道攻击（如基于偏移量的 CPA 攻击）的技术。然而，RSM方案的硬件实现通常需要较多的S盒，这增加了系统的面积复杂度。为解决这一问题，作者提出了新的低熵掩码方案，其核心思想是引入S盒共用的概念。通过共享S盒，可以显著减少S盒的数量，从而降低硬件实现的面积。在AES算法中，这个新方案能将S盒的数量从原来的16个减少到4个，这不包括密钥扩展模块。 其次，为了增强系统安全性，方案采用了乱序技术。这种技术可以打乱数据处理的顺序，使得攻击者难以通过观察操作顺序推断出关键信息，提高了系统抵抗侧信道攻击的能力。 再者，为了提高系统的吞吐量，研究中还应用了流水线技术。流水线设计允许数据在多个处理阶段并行处理，从而提升了加密和解密的速度，这对于需要高速数据处理的场合尤其重要。 实验结果显示，与RSM方案相比，新提出的低熵掩码方案在组合逻辑、时序逻辑和存储面积上分别实现了69%、60%和80%的显著降低。这意味着在保证安全性的同时，新方案在硬件效率上有了显著提升。这些改进不仅减少了硬件成本，也使得AES加密系统更适用于资源受限的环境。 这项研究提供了一个平衡加密性能、安全性与硬件资源消耗的有效方法，对于未来低功耗、高安全性的加密设备设计具有重要参考价值。通过深入理解S盒共用、乱序技术和流水线设计，可以进一步优化加密算法的硬件实现，满足现代信息安全领域的多样化需求。