AVR单片机的RC5和RC6算法比较与改进_单片机论文
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 | 16 | 32 | 64 |
| pw | 0xb7e1 | 0xb7e15163 | 0xb7e151628aed2a6b |
| qw | 0x9e37 | 0x9e3779b9 | 0x9e3770b97f4a7c15 |
（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 | c | t |
| rc5算法 | 15 248 | 1270.67 | 141 | 8 | 26 |
| rc6算法 | 15 246 | 1270.50 | 141 | 8 | 28 |
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 | 2511 | 209.25 | 66 | 32 | 约为152 927 |
| rc6算法 | 62529 | 5210.75 | 170 | 64 | 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 | 20 260 | 1688.33 | 267 | 32 | 约为18 594 |
| rc6算法 | 140 274 | 11 689.50 | 455 | 64 | 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。