Atmega128单片机的RC5和RC6算法比较与改进

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

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“ab”；

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)+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

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