W55MH32 应用笔记: WIZnet W55MH32 的 AES（ECB/CBC）硬件加密功能说明
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W55MH32 应用笔记: WIZnet W55MH32 的 AES（ECB/CBC）硬件加密功能说明
1. 简介
WIZnet 的 W55MH32 是一款高性能微控制器，内建 ARM Cortex-M3 内核，并集成了硬件加密引擎。其支持的对称加密算法之一是 AES（高级加密标准），被广泛应用于现代嵌入式系统中的数据安全保护。本应用笔记介绍了 AES 算法的结构、W55MH32 中的工作流程、支持的工作模式（ECB 和 CBC），以及在 SSL/TLS 协议中的重要性和常见应用场景。
2. AES 算法概述
什么是 AES？
AES 是一种对称块加密算法，由 NIST 在 FIPS PUB 197 标准中发布。它以 128 位（16 字节）块 为单位进行加密，支持的密钥长度为 128、192 或 256 位。W55MH32 内建 AES-128（128 位密钥） 的硬件加密模块，支持 ECB（电子密码本） 和 CBC（密码块链接） 两种模式。
AES 的加密结构
AES 的运算基于一个 4×4 字节的状态矩阵。加密过程包括多个轮次，每轮主要由以下四个步骤组成：
- SubBytes（字节替换）：通过固定的 S-Box 进行非线性替换。
- ShiftRows（行移位）：对状态矩阵中的每行进行循环移位。
- MixColumns（列混合）：在有限域上对每列执行矩阵乘法，实现扩散效果。
- AddRoundKey（轮密钥异或）：状态矩阵与当前轮的密钥进行异或操作。
AES-128 总共执行 10 轮 加密；解密过程则为上述步骤的逆运算。
3. W55MH32 支持的 AES 加密模式
W55MH32 的硬件 AES 引擎支持以下标准模式：
🔹 ECB（电子密码本模式）
- 每个 128 位块独立加密。
- 简单、速度快、易于并行处理。
- 缺点：相同的明文块生成相同的密文块，容易暴露数据结构。
- 应用场景：适用于加密无结构或随机数据的情况。
🔹 CBC（密码块链接模式）
- 每个明文块在加密前与前一个密文块进行异或。
- 第一个块使用 初始化向量（IV）。
- 优点：避免相同明文生成相同密文，提升安全性。
- 应用场景：适合常规数据保护，TLS 通信，固件存储等。
4. AES 在 W55MH32 中的工作流程
W55MH32 的 AES 引擎可通过寄存器或 DMA 实现高速数据加解密，其典型使用流程如下：
加密/解密步骤：
- 参数初始化：
- 设置 AES 模式（ECB/CBC）。
- 加载 128 位密钥。
- 设置初始化向量（CBC 模式下）。
- 加载输入数据：
- 将 16 字节的明文写入 AES 硬件引擎。
- 触发加解密操作：
- 启动 AES 引擎进行运算。
- 读取输出数据：
- 获取加密或解密后的 16 字节结果。
硬件加速优势：
- 降低 CPU 运算负担，提升系统性能。
- 具备恒定时延，增强抗侧信道攻击能力。
- 高速且节能，适用于低功耗嵌入式设备。
5. AES 在 SSL/TLS 协议中的重要性
在 SSL/TLS 等安全协议中，AES 是数据加密的核心算法之一：
在 TLS 握手阶段：
- 客户端与服务器通过非对称加密（如 RSA、ECDHE）协商共享密钥。
- 握手完成后，使用 AES 对称加密算法 对数据传输进行加密保护。
AES 常用于以下 TLS 模式中：
- CBC 模式（TLS 1.0～1.2 常见）
- GCM 模式（TLS 1.2+ 的认证加密方案）
为什么 AES 对 TLS 至关重要：
- 提供高速、低延迟的数据加密能力。
- 与 HMAC 搭配可实现完整性保护。
- 已被所有现代网络通信协议广泛支持。
在嵌入式系统中，W55MH32 提供的硬件 AES-CBC 能高效支持 TLS 协议的负载加密部分，适用于嵌入式服务器、物联网安全通信等场景。
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