AES（ECB/CBC）硬件加密功能

2025/02/12 更新

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。

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：

1. SubBytes（字节替换）：通过固定的 S-Box 进行非线性替换。
2. ShiftRows（行移位）： 对状态矩阵中的每行进行循环移位。
3. MixColumns（列混合）： 在有限域上对每列执行矩阵乘法，实现扩散效果。
4. 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。

W55MH32 支持的 AES 加密模式

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。

AES 在 W55MH32 中的工作流程

加密/解密步骤：

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：

1. 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）。

2. 加载输入数据：

→将16字节的明文写入AES硬件引擎

3. 触发加解密操作：

→启动 AES 引擎进行运算

4. 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。

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。

W55MH32 AES 的应用场景

W55MH32 的 AES 加密引擎可广泛应用于以下典型场合：

固件加密与升级验证对固件镜像进行加密，防止被非法修改或复制。

安全通信（TLS/SSL） 支持硬件加速的 AES-CBC 用于 HTTPS、MQTT 等安全通信。

本地存储加密 对日志、配置文件、凭据等数据进行加密存储。

加密串口/无线数据传输 使用 AES-CBC 对串口、SPI 或无线模块之间的数据进行保护。

认证与访问控制基于 AES 实现设备身份验证或授权令牌加密机制。

进度

要使用此硬件 AES，需要执行以下步骤。

步骤 1：头文件

要激活 AES 功能，需要包含 WIZnet 加密库中的 AES 头文件。


include "wiz_aes.h"

步骤 2：AES 程序

在 AES 程序中，需要将所有变量输入到 AES 结构体中并进行 AES 运算。EBC 和 CBC 方法的操作相同，但 CBC 方法需要添加一个额外的 IV 变量。


// 将所有变量输入到 CallDes 结构体中
// pu8In – 输入数据
callAes.pu8In = au8Plain;
// u32InLen 表示输入数据的大小（64 字节）
callAes.u32InLen = AES_TEST_LEN;
// au8Result – 输出数据
callAes.pu8Out = au8Result;
// u32OutLen 表示输出数据的大小（64 字节）
callDes.u32OutLen = DES_TEST_LEN;
// u16Opt 是使用 ECB 加密消息的方法选择
callAes.u16Opt = WIZ_AES_OPT_BLK_ECB | WIZ_AES_OPT_MODE_ENCRYPT | WIZ_AES_OPT_KEY_128;
//或者您可以将其更改为解密消息
callAes.u16Opt = WIZ_AES_OPT_BLK_ECB | WIZ_AES_OPT_MODE_DECRYPT | WIZ_AES_OPT_KEY_128;
// pu8Key 是用于加密或解密消息的密钥
callAes.pu8Key = au8Key;
// 运行硬件 AES
WIZDES_EncDec(&callAes);
其他情况：
// pu8IV 是用于加密或解密消息的 IV
callAes.pu8IV = au8Iv;
// u16Opt 是使用 CBC 加密消息的方法的选择
callAes.u16Opt = WIZ_AES_OPT_BLK_CBC | WIZ_AES_OPT_MODE_ENCRYPT | WIZ_AES_OPT_KEY_128;
// 或者您可以将其更改为解密消息
callAes.u16Opt = WIZ_AES_OPT_BLK_CBC | WIZ_AES_OPT_MODE_DECRYPT | WIZ_AES_OPT_KEY_128;

步骤 3：主代码

此主代码包含在两种情况下操作 AES 的方法

ECB 的主代码


void AES_Func_Test()
{
    uint8_t ausPlain[AES_TEST_LEN]    = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F, 0x10,
                                         0x11, 0x12, 0x13, 0x14, 0x15, 0x16, 0x17, 0x18, 0x19, 0x1A, 0x1B, 0x1C, 0x1D, 0x1E, 0x1F, 0x20,
                                         0x21, 0x22, 0x23, 0x24, 0x25, 0x26, 0x27, 0x28, 0x29, 0x2A, 0x2B, 0x2C, 0x2D, 0x2E, 0x2F, 0x30};
    uint8_t ausAESCipher_ECB[AES_TEST_LEN] = {0x31, 0x0E, 0x06, 0x66, 0x72, 0x5B, 0x3B, 0x36, 0x60, 0x14, 0x05, 0x04, 0x52, 0xFA, 0x64, 0x5A,
                                              0x03, 0x62, 0xB6, 0x5C, 0x75, 0x78, 0xCA, 0x5A, 0xAA, 0x9E, 0x5D, 0x70, 0x29, 0x31, 0x2E, 0x43,
                                              0x07, 0x02, 0x0A, 0x0E, 0x75, 0x2A, 0x47, 0x22, 0xB9, 0xF0, 0x2A, 0x06, 0x03, 0x2E, 0xA0, 0x59};
    uint8_t ausAESCipher_CBC[AES_TEST_LEN] = {0x65, 0x05, 0x00, 0x0A, 0x0E, 0x15, 0x04, 0x07, 0x0B, 0x55, 0x27, 0x07, 0x0A, 0x02, 0x00, 0x2A,
                                              0x0A, 0x05, 0x07, 0x01, 0x0C, 0x1A, 0x15, 0x01, 0x20, 0x01, 0x27, 0x07, 0x01, 0x12, 0x0D, 0x0E,
                                              0x0E, 0x02, 0x0B, 0x0A, 0x05, 0x2A, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x2A, 0x06, 0x03, 0x2E, 0xA0, 0x59};
    uint8_t ausResult[AES_TEST_LEN]    = {0};
    uint8_t ausPR[AES_TEST_LEN]        = {0};
    uint8_t ausIV[16] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F, 0x10};
    uint8_t ausKey[16] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F, 0x10};
    WIZ_SYN_CRYPTO_CAL_t callAes;

    printf("The AES data input is :\r\n");
    for (i = 0; i < AES_TEST_LEN; i++)
    {
        printf("%02X", ausPlain[i]);
    }
    printf("\r\n");
    printf("The AES key is :\r\n");
    for (i = 0; i < 16; i++)
    {
        printf("%02X", ausKey[i]);
    }
    printf("\r\n");
    printf("The AES IV is :\r\n");
    for (i = 0; i < 16; i++)
    {
        printf("%02X", ausIV[i]);
    }
    printf("\r\n");
    memset((uint8_t *)&callAes, 0, sizeof(callAes));
    //ECB ENC
    callAes.pu8In      = ausPlain;
    callAes.ui32InLen  = AES_TEST_LEN;
    callAes.pu8Out     = ausResult;
    callAes.ui32OutLen = AES_TEST_LEN;
    callAes.pu8Key     = ausKey;
    callAes.ui32Key    = WIZ_AES_KEY_SIZE_128 | WIZ_AES_OP_MODE_ECB | WIZ_AES_OP_MODE_ENCRYPT;
    callAes.ui32Ctrl   = WIZC_CalcBuffCrc((uint8_t *)&callAes, sizeof(WIZ_SYN_CRYPTO_CAL_t) - 8);
    WIZAES_EncDec(&callAes);
    printf("The AES (ECB) encrypted message is :\r\n");
    for (i = 0; i< AES_TEST_LEN; i++)
    {
        printf("%02X", ausResult[i]);
    }
    printf("\r\n");
    //_tprintf((0 == memcmp(ausAESCipher_ECB, ausResult, AES_TEST_LEN)), "wiz_aes_128_ecb_ENC test\r\n");

    memset((uint8_t *)&callAes, 0, sizeof(callAes));
    //ECB DEC
    callAes.pu8In      = ausResult;
    callAes.ui32InLen  = AES_TEST_LEN;
    callAes.pu8Out     = ausPR;
    callAes.ui32OutLen = AES_TEST_LEN;
}

CBC 的主代码


memset((uint8_t *)&callAes, 0, sizeof(callAes));
//CBC ENC
callAes.pu8In      = ausPlain;
callAes.u32InLen   = AES_TEST_LEN;
callAes.pu8Out     = ausResult;
callAes.u32OutLen  = AES_TEST_LEN;
callAes.pu8IV      = ausIV;
callAes.pu8Key     = ausKey;
callAes.ulOpt      = WIZ_AES_OPT_BLK_CBC | WIZ_AES_OPT_MODE_ENCRYPT | WIZ_AES_OPT_KEY_128;
callAes.u32Crc     = WIZCRC_CalcBuff(0xffff, &callAes, sizeof(WIZ_SYN_CRYPTO_CALL) - 4);
WIZAES_EncDec(&callAes);
printf("The AES (CBC) encrypted message is \r\n");
for (i = 0; i < AES_TEST_LEN; i++)
{
    printf("%02x", ausResult[i]);
}
printf("\r\n");
//_tprintf((0 == memcmp(ausAESCipher_CBC, ausResult, AES_TEST_LEN)), "wiz_aes_128_cbc ENC test\n");

memset((uint8_t *)&callAes, 0, sizeof(callAes));
//CBC DEC
callAes.pu8In      = ausAESCipher_CBC;
callAes.u32InLen   = AES_TEST_LEN;
callAes.pu8Out     = ausResult;
callAes.u32OutLen  = AES_TEST_LEN;
callAes.pu8IV      = ausIV;
callAes.pu8Key     = ausKey;
callAes.ulOpt      = WIZ_AES_OPT_BLK_CBC | WIZ_AES_OPT_MODE_DECRYPT | WIZ_AES_OPT_KEY_128;
callAes.u32Crc     = WIZCRC_CalcBuff(0xffff, &callAes, sizeof(WIZ_SYN_CRYPTO_CALL) - 4);
WIZAES_EncDec(&callAes);
printf("The AES (CBC) decrypted message is \r\n");
for (i = 0; i < AES_TEST_LEN; i++)
{
    printf("%02x", ausPR[i]);
}
printf("\r\n");
//_tprintf((0 == memcmp(ausPlain, ausResult, AES_TEST_LEN)), "wiz_aes_128_cbc DEC test\n");

void AES_Test()
{
    AES_Func_Test();
}

步骤 4：测试结果

程序下载到 W55MH32 的 EVB 后，显示以下结果。

AES（全部十六进制值）：

密钥和 AI 值：


0102030405060708090a0b0c0d0e0f10

输入消息 :


0102030405060708090a0b0c0d0e0f101112131415161718191a1b1c1d1e1f202122232425262728292a2b2c2d2e2f303132333435363738393a3b3c3d3e3f40

加密输出消息 (ECB)：


34c33b7f14fd53dcea25e01a02e16727d721a0f194231822f398706dd1fff2b70328d32575fa476f38f624d673eaa09ba9050c10ce1904e750597797a172b0f0

解密输出消息 (ECB)：


0102030405060708090a0b0c0d0e0f101112131415161718191a1b1c1d1e1f202122232425262728292a2b2c2d2e2f303132333435363738393a3b3c3d3e3f40

加密输出消息 (CBC)：


dbf184112eb9111659712bafcff2ab24f72d2c50445d1d3bebf8b50d323288b4f628d8a653b220e27937bb4149cdd3646778adad93b9811d4fb505b9f424efb9

解密输出消息 (CBC)：


0102030405060708090a0b0c0d0e0f101112131415161718191a1b1c1d1e1f202122232425262728292a2b2c2d2e2f303132333435363738393a3b3c3d3e3f40

Python 结果


from Crypto.Cipher import AES

# Key and IV (both 16 bytes)
key = bytes.fromhex("0102030405060708090a0b0c0d0e0f10")
iv = bytes.fromhex("0102030405060708090a0b0c0d0e0f10")

# Data to encrypt (64 bytes = 4 blocks of 16 bytes)
data = bytes.fromhex(
    "0102030405060708090a0b0c0d0e0f10"
    "1112131415161718191a1b1c1d1e1f20"
    "2122232425262728292a2b2c2d2e2f30"
    "3132333435363738393a3b3c3d3e3f40"
)
cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)

# Encrypt (no padding needed)
ciphertext = cipher.encrypt(data)

# Decrypt
plaintext = cipher.decrypt(ciphertext)

# Output
print("AES ECB Encrypted:", ciphertext.hex())
print("AES ECB Decrypted:", plaintext.hex())

# Encrypt using CBC (no padding)
cipher_enc = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
ciphertext = cipher_enc.encrypt(data)

# Decrypt using CBC (no padding)
cipher_dec = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
decrypted = cipher_dec.decrypt(ciphertext)

# Output
print("AES CBC Encrypted:", ciphertext.hex())
print("AES CBC Decrypted:", decrypted.hex())

结论

WIZnet 的 W55MH32 通过硬件实现的 AES-128 加密引擎，支持 ECB 和 CBC 两种模式，为嵌入式设备提供了快速、安全的数据加解密能力。通过减少 CPU 占用和降低能耗，W55MH32 特别适用于安全通信、数据保护和身份验证等嵌入式安全场景。在 SSL/TLS 等关键安全协议中，AES 是保证数据保密性和完整性的核心算法。W55MH32 强大的硬件加密能力，为物联网与工业控制等安全敏感型应用提供了坚实的保障基础。

接下来的文章将重点介绍在 W55MH32 芯片上使用硬件加密中实现 DES / 3DES 功能，ECB/CBC 模式、两者的区别、操作流程、在 SSL/TLS 协议中的应用及适用场景，敬请期待！

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开发环境: Keil MDK5 配套开发板

Andy

W5500 技术支持专家