AVR单片机的RC5和RC6算法比较与改进
日期：2007-4-20flash
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<< 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 （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=((b+a)<< 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))<< u=(d×(2d+1))<<<1og2w a=((a+t)<< c=((c+u)<< (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))<< t=(b×(2b+1))<< 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 表4 rc5及rc6算法加密过程效果比较 表5 rc5及rc6算法解密过程效果比较 表6 rc5及rc6算法总体过程效果比较 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。
w 16 32 64 pw 0xb7e1 0xb7e15163 0xb7e151628aed2a6b qw 0x9e37 0x9e3779b9 0x9e3770b97f4a7c15
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
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
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
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