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引言 在無線局域網中，傳輸的介質主要是無線電波和紅外線，任何具有接收能力的竅聽者都有可能攔截無線信道中的數據，掌握傳輸的內容，造成數據泄密。因此，對于無線局域網來說，數據的加密是關鍵技術之一。 AVR高速嵌入式單片機是8位RISC MCU，執行大多數指令只需一個時鐘周期，速度快（8MHz AVR的運行速度約等于200MHz C51的運行速度）；32個通用寄存器直接與ALU相連，消除和運算瓶頸。內嵌可串行下載或自我編程的Flash和EPPROM，功能繁多，具有多種運行模式。 依照IEEE1999年發布的802.11無線局域網協議標準，采用Atmel公司的Atmega128高速嵌入式單片機，開發無線數據傳輸裝置。為了實現無線數據傳輸時的安全性，同時盡可能節省成本，采用軟件進行加密、解密。這就對算法的簡法性、高速性及適應性提出了很高的要求。RC5和 RC6兩種新型的分組加密算法能夠比較好地滿足上述的要求。 1 RC5及RC6算法 1.1 RC5及RC6的參數 RC5及RC6是參數變量的分組算法，實際上是由三個參數確定的一個加密算法族。一個特定的RC5或者RC6可以表示為RC5-w/r/b或者 RC6-w/r/b。其中這三個參數w、f和b分別按照表1所列定義。 表1 RC5及RC6算法參數定義
1.2 RC5及RC6字運算部件 RC5及RC6均由三部分組成，分別為混合密鑰生成過程、加密過程和解密過程。在這兩種算法中，共使用了六種基本運算： ①模2w加法運算，表示為“+”； ②模2w減法運算，表示為“-”； ③逐位異或運算，表示為+； ④循環左移，字a循環左移b比特表示為“a<< ⑥模2w乘法，表示為“×”。 RC5算法運用了上述的①～⑤運算部分，RC6算法使用了上述所有的運算部件。 1.3 RC5算法 （1）RC5算法混合密鑰生成過程的偽代碼表示 S[0]=Pw for i=1 to t-1 do S=S[i-1]+Qw 輸入比特數大小為8，密鑰長度為b的用戶密鑰K[0]至K[b-1] 轉換K[0]至K[b-1]為數組長度為c，比特數為w的L[]數組 i=j=0 x=y=0 do 3×max(t,c)times： S=(S+x+y)<<<3;X=S;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]方括號表示上取整運算，t=2r+2，當w分別為16、32、64時，常數Pw、Qw分別如表2所列。 表 2 常數Pw、Qw取值表
Input(A,B) A=A+S(0)B=B+S[1] for i=1 to r do A=((A+B)<< 其中初始的A、B分別為要加密的兩個比特數為w的數據，最終的A、B分別為加密好的兩個比特數為w的數據。 （3）RC5解密算法過程的偽代碼表示 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中的數據就是已經加密了的比特數為w的數據，最終的A、B中的數據為解密后的比特數為w的數據。 1.4 RC6算法 （1）RC6算法混合密鑰生成過程偽代碼表示 RC6混合密鑰生成過程與RC5相同，只是t的取值為2r+4。 （2）RC6加密算法過程偽代碼表示 Input(A,B,C,D) B=B+S[0]D=D+S[1] for i=1 to r do t=(B×(2B+1))<< A=((A+t)<< A=A+S[2i+2]C=C+S[2i+3] Output(A,B,C,D) 其中初始的A、B、C、D分別為要加密的四個比特數為w的數據，最終的A、B、C、D分別為加密好的四個比特數為w的數據。 (3)RC6解密算法過程的偽代碼表示 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))<< 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分別為已經被加密的四個比特數為w的數據，最終的A、B、C、D分別為解密后的四個比特數為w的數據。 2 RC5和RC6算法的實現及改進 2.1 AVR單片機的RC5和RC6算法流程 RC5及RC6算法加密過程實現流程圖如圖1所示，解密過程實現流程圖如圖2所示，總體過程流程圖如圖3所示。 
2.2 AVR單片機RC5和RC6算法的改進 ①在進行算法流程的安排時，考慮到AVR高速嵌入式單片機只有32個8位寄存器，為了節省寄存器的使用，應該在混合密鑰生成過程執行后，再把待加密的數據賦予寄存器。這樣在混合密鑰生成過程以前的寄存器都可以被使用，而不會對整個算法的執行結果造成影響。 ②在進行RC5及RC6算法參數的選擇時，考慮到AVR高速嵌入式單片機指令最多只支持16位數據相加以及程序的簡潔化，所以在本程序中選擇w 為16而沒有選擇w為32，r和b的值依據Rivest的建議分別取為12和16。 ③在執行算法中的左循環或者右循環運算時，考慮到循環移位的效果，實際循環移位的位數應該為要執行移位次數的低1log2w位。在本程序中為要執行移位次數的后四位。 ④在執行算法中的模2w加法運算、模2w減法運算、模2w乘法運算時，由于2w的取值為65536,而2個8位寄存器（0～15位）最高可以表示數據的值為65535，數據再大就要向高位進位，所以在本程序執行上述的算法只需要考慮到2個8位寄存器所表達的值就得到了上述運算的最終結果，而不用再進行模2w運算。 ⑤為了提高數據加密及解密的速率，可以把混合密鑰生成過程提前執行，以使之生成一張混合密鑰表。把這個表裝入發送數據端Atmega128高速嵌入式單片機和接收數據端Atmega128高速嵌入式單片機的Flash中，從而在以后的加密與解密過程中直接使用混合密鑰。值得注意的是，每當用戶輸入的用戶密鑰發生改變時，必須重新執行混合密鑰生成過程，并且重新給Flash裝載重新生成后的混合密鑰表。在本程序中，RC5混合密鑰表共占據52個8 位寄存單元，RC6混合密鑰表共占據56個8位存儲單元。 ⑥在本程序中運用加法運算以及移位運算實現了16位二進制數乘以16位二進制數的無符號運算。該運算的子程序如下： 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算法實驗結果及其比較與分析 RC5及RC6算法實驗的混合密鑰過程、加密過程、解密過程和總體過程的效果比較如表3、4、5、6所列。 表3 RC5及RC6算法混合密鑰過程效果比較
以上所有實驗結果均是在AVR Studio4.07仿真軟件上選用Atmel公司的Atmega128高速嵌入式單片機為實驗設備平臺。選取參數w=16、r=12、b=16，并根據計算公式求得c=8，t=26(RC5算法)或者t=28（RC6算法）在12MHz運行速度下模擬所得。 從實驗結果所得的表3、表4、表5、表6可以明確得出以下結論。 ①從程序的執行效率來看，無論在加密還是在解密過程中，RC5算法都要比RC6算法執行效率高。 因此，在一些非常注重程序執行效率，而對數據安全性要求不是非常高的情況下，應該采用RC5算法。 ②從程序的執行時間來看，無論在加密過程不是在解密過程中，RC5算法都要比RC6算法省時。因此，在一些對程序執行時間長短要求很高，對數據安全性要求不是非常高的情況下，可以采用RC5算法。 ③從程序的大小來看，無論在加密過程中還是在解密過程中，RC5算法都要比RC6算法更簡潔。因此，在一些對程序所用空間大小要求很高，對數據安全性要求不是非常高的情況下，可以采用RC5算法。 ④從安全性角度考慮，RC6算法是在RC5算法基礎之上針對RC5算法中的漏洞，主要是循環移位的位移量并不取決于要移動次數的所有比特，通過采用引入乘法運算來決定循環移位次數的方法，對RC5算法進行了改進，從而大大提高了RC6算法的安全性。因此，在一些對數據安全性要求很高的情況下，應該采用RC6算法。 結語 RC5及RC6算法是兩種新型的分組密碼，它們都具有可變的字長，可變的加密輪數，可變的密鑰長度；同時，它們又只使用了常見的初等運算操作，這使它們有很好的適應性，很高的運算速度，并且非常適合于硬件和軟件實現。兩種算法各有其優缺點，在工程應用中應該根據實際需要選擇最適合的方法，以得到最優的效果。 參考文獻 1. Rivest Ronald L The RC6TM Block Cipher 1999 2. 宋震 密碼學 2002 3. 楊義先 現代密碼新理論 2002 4. 李勛.耿德根 AVR 單片機應用技術 2002 5. 耿德根 AVR 高速嵌入式單片機原理與應用 2001 作 者：西安交通大學 王泉 齊春 羅新民 黃偉 鄭州大學 馬旭東 來 源：單片機與嵌入式系統應用 2003（10） |
