基于FPGA的DES、3DES硬件加密技術(shù)

傳統(tǒng)的加密工作是通過(guò)在主機(jī)上運(yùn)行加密軟件實(shí)現(xiàn)的。這種方法除占用主機(jī)資源外，運(yùn)算速度較慢，安全性也較差。而硬件加密是通過(guò)專用加密芯片、FPGA芯片或獨(dú)立的處理芯片等實(shí)現(xiàn)密碼運(yùn)算。相對(duì)于軟件加密，硬件加密具有加密速度快、占用計(jì)算機(jī)資源少、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)計(jì)思路
本設(shè)計(jì)首先用硬件描述語(yǔ)言（VHDL）進(jìn)行DES（數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)）、3DES（三重DES）算法編碼和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后采用FPGA來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。采用FPGA設(shè)計(jì)靈活，可對(duì)芯片內(nèi)部單元進(jìn)行配置，可以縮短設(shè)計(jì)周期和開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以達(dá)到較高的性能。另外有多種EDA開(kāi)發(fā)軟件支持FPGA的設(shè)計(jì)，在本設(shè)計(jì)中采用了EDA綜合工具Synplify和Altera公司的Quartus II 7.2開(kāi)發(fā)軟件。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
整個(gè)系統(tǒng)由FPGA、DSP、時(shí)鐘電路、電源電路等部分組成，如圖1所示。FPGA是系統(tǒng)的核心器件。DSP作為控制單元，控制數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)的工作過(guò)程是這樣的：在DSP的控制下，主機(jī)中待加密的明文數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線傳送到FPGA的RAM區(qū)，然后啟動(dòng)控制模塊的狀態(tài)機(jī)，把明文送入DES模塊或3DES模塊進(jìn)行相應(yīng)的加密運(yùn)算。運(yùn)算的結(jié)果（密文）再返回到主機(jī)中。FPGA自帶的JTAG接口用來(lái)連接下載電纜到主機(jī)的并口，便于用邏輯分析議對(duì)系統(tǒng)調(diào)試。EPCS4是FPGA的配置芯片，用來(lái)存儲(chǔ)程序。由于系統(tǒng)掉電后FPGA內(nèi)的程序?qū)G失，所以每次上電后FPGA首先從EPCS4里讀取相應(yīng)的配置信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

考慮到本設(shè)計(jì)中FPGA的RAM容量不能太小，以便存儲(chǔ)較多的數(shù)據(jù)；另外用戶I/O引腳數(shù)量應(yīng)有一定的富裕。最終選擇了Altera公司Cyclone III系列的EP3C25F256C8。其I/O引腳數(shù)是156個(gè)，RAM總量為608Kb。

3DES模塊的設(shè)計(jì)
采用VHDL編程實(shí)現(xiàn)DES算法后，通過(guò)Synplify生成一個(gè)基本的模塊——DES核（如圖2所示）。

圖2 DES核

DES核的引腳功能如下。
clk：時(shí)鐘輸入端，本設(shè)計(jì)時(shí)鐘源為50MHz晶振；
reset：復(fù)位端，低電平有效；
encrypt：加密、解密選擇端，高電平進(jìn)行加密操作，低電平進(jìn)行解密操作；
din[63..0]：數(shù)據(jù)輸入端；
din_valid：數(shù)據(jù)輸入有效端；
key_in[55..0]：密鑰輸入端；
dout[63..0]：數(shù)據(jù)輸出端：
dout_valid：數(shù)據(jù)輸出有效端；
busy：忙信號(hào)標(biāo)志端，當(dāng)busy為高時(shí)說(shuō)明正在進(jìn)行算法轉(zhuǎn)換，為低時(shí)可以輸入數(shù)據(jù)。

用DES核構(gòu)成的3DES模塊，將其移植到Quartus II 7.2里，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)此模塊的控制，設(shè)計(jì)中用到了狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)機(jī)是組合邏輯和寄存器邏輯的特殊組合，尤其適合于數(shù)字系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的狀態(tài)在一定的條件下相互轉(zhuǎn)移。狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移圖如圖3所示，下面以加密過(guò)程為例，說(shuō)明具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖3 控制模塊的狀態(tài)機(jī)

系統(tǒng)復(fù)位后FPGA進(jìn)入空閑狀態(tài)（3DES_IDLE），當(dāng)算法選擇信號(hào)chooes=’1’時(shí)選擇3DES算法；開(kāi)始信號(hào)start=’1’時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入寫(xiě)密鑰狀態(tài)（3DES_KEY）；在寫(xiě)密鑰狀態(tài)FPGA將內(nèi)部RAM區(qū)存儲(chǔ)的112位密鑰寫(xiě)入3DES模塊，寫(xiě)完后判斷busy信號(hào)，當(dāng)busy=’0’時(shí)進(jìn)入寫(xiě)數(shù)據(jù)狀態(tài)（3DES_DATA）；在此狀態(tài)，RAM中的一個(gè)待加密的明文分組64bit傳入到3DES模塊里，之后3DES模塊將此數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，完成后dout_valid信號(hào)變?yōu)楦唠娖?。狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到此信號(hào)變高后進(jìn)入下一狀態(tài)（3DES_RDDATA），將加密后的密文寫(xiě)回到RAM區(qū)，之后判斷是否處理完了所有的明文分組，如果未處理完，當(dāng)busy=’0’時(shí)重復(fù)3DES_DATA狀態(tài)，加密下一個(gè)明文分組，直到處理完所有的明文數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)才進(jìn)入3DES_DONE狀態(tài)，從而完成了整個(gè)加密過(guò)程。解密的過(guò)程同加密過(guò)程一樣，通過(guò)邏輯加以區(qū)分。

DES模塊的設(shè)計(jì)
DES模塊采用4個(gè)DES核并行處理數(shù)據(jù)的流水線設(shè)計(jì)方法。其狀態(tài)機(jī)同3DES類似，所不同的是在寫(xiě)密鑰狀態(tài)向DES模塊寫(xiě)入56位密鑰，在寫(xiě)數(shù)據(jù)狀態(tài)向DES模塊寫(xiě)入256位數(shù)據(jù)，每個(gè)DES核處理64位數(shù)據(jù)，其中第一個(gè)DES核處理數(shù)據(jù)的0～63bit，第二個(gè)DES核處理64～127bit，依次類推。操作完成后DES模塊將256位的密文或明文再傳入到RAM里。采用流水線設(shè)計(jì)可以使4個(gè)DES核并行工作，大大提高了加解密速度。

方案的驗(yàn)證及性能
調(diào)試的過(guò)程中用到SignalTap，SignalTap宏功能是一種嵌入式邏輯分析器，能夠在器件的特定觸發(fā)點(diǎn)捕獲數(shù)據(jù)并保存到FPGA的嵌入式系統(tǒng)塊中。這些數(shù)據(jù)被送到JTAG接口，通過(guò)ByteBlaster II 下載電纜上傳到quartus II波形編輯器中進(jìn)行顯示。圖4為在調(diào)試過(guò)程中用SignalTap捕捉到的3DES運(yùn)算的時(shí)序，平均18個(gè)時(shí)鐘周期處理完一個(gè)數(shù)據(jù)分組（64bit）。圖5為DES運(yùn)算的時(shí)序，平均36個(gè)時(shí)鐘周期處理完一個(gè)數(shù)據(jù)分組（256bit）。
最終調(diào)試DES、3DES算法加解密成功后，將Quartus II 7.2編譯生成的編程文件通過(guò)下載電纜ByteBlaster II下載到我們的試驗(yàn)板卡上。在Windows XP的系統(tǒng)下，用VC的環(huán)境編寫(xiě)出了測(cè)試程序和驅(qū)動(dòng)程序，最終測(cè)得DES加解密的速度是：230Mb/s；3DES加解密的速度是：120Mb/s。

圖4 3DES時(shí)序波形圖

圖5 DES時(shí)序波形圖

注意事項(xiàng)
用SignalTap進(jìn)行調(diào)試的過(guò)程中，要使采樣頻率大于被測(cè)信號(hào)的最高頻率，否則無(wú)法正確反映被測(cè)信號(hào)的波形變化。由于系統(tǒng)的輸入最高頻率為50MHz，為了調(diào)試正確，利用了FPGA的鎖相環(huán)對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行倍頻，從而用100MHz的信號(hào)作為采樣頻率。另外需要設(shè)置合適的觸發(fā)點(diǎn)及采樣深度。

系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析及改進(jìn)方法
優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了狀態(tài)機(jī)和流水線技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)的加解密速度；另外采用FPGA使得設(shè)計(jì)比較靈活，各模塊均用了硬件描述語(yǔ)言編碼實(shí)現(xiàn)。

不足之處：DES曾被人利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)算采用窮舉攻擊的方法破解過(guò)，目前也已經(jīng)設(shè)計(jì)出采用窮舉攻擊在4小時(shí)內(nèi)破解DES的機(jī)器。DES本身雖已不再安全，但在數(shù)據(jù)對(duì)安全性要求不高的場(chǎng)合仍然廣泛使用著，其改進(jìn)算法3DES的安全性還是相當(dāng)強(qiáng)的。

系統(tǒng)改進(jìn)方法：在要求安全性高的場(chǎng)合，可以采用安全性更高的算法（如AES等）來(lái)替換DES。