基于FPGA的改進(jìn)DES算法的實(shí)現(xiàn)

為了解決數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的安全傳輸問題，通常采用分組加密技術(shù)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密保護(hù)，其中最具有代表性的是數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES。DES加密算法已成為應(yīng)用非常廣泛的一種分組對稱加密算法,該算法具有極高的安全性。到目前為止，除了窮舉搜索法對DES算法進(jìn)行攻擊外，還沒有發(fā)現(xiàn)更有效的方法。目前，DES算法廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、智能卡（IC卡）等領(lǐng)域[1]。其實(shí)現(xiàn)方法通常分為軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)兩種，由于軟件實(shí)現(xiàn)時速度較慢，最快速度不到150 Mb/s[2]，且利用軟件實(shí)現(xiàn)DES算法在安全性方面也存在隱患，而應(yīng)用硬件實(shí)現(xiàn)則可以克服以上的問題。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)在算法實(shí)現(xiàn)方面具有靈活性、物理安全性，相對于軟件實(shí)現(xiàn)，在速度和性能上具有明顯的優(yōu)勢。
    DES算法是以多輪的密鑰變換輪函數(shù)、子密鑰和數(shù)據(jù)異或運(yùn)算的輪函數(shù)為特征，相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)方法有兩種：一種是通過輪函數(shù)的16份硬件拷貝，達(dá)到深度細(xì)化的流水線處理，實(shí)現(xiàn)性能最優(yōu)；另一種是通過時分復(fù)用，重復(fù)調(diào)用1份輪函數(shù)的硬件拷貝，以時間換空間，從而得到硬件資源占用的最小化。通過對系統(tǒng)的性能和資源占用進(jìn)行綜合考慮，本文采用資源優(yōu)先方案。
    采用此方案系統(tǒng)消耗的資源較少，但運(yùn)行速度受限。改進(jìn)的方法是采取在輪函數(shù)內(nèi)部設(shè)置流水線結(jié)構(gòu)來提高整體處理的速度，同時子密鑰變換輪函數(shù)提供子密鑰，應(yīng)與迭代輪函數(shù)保持同步工作狀態(tài)，以減少迭代運(yùn)算帶來的等待延遲。通過設(shè)置迭代輪計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的算法狀態(tài)執(zhí)行指示位，控制輪函數(shù)的輸入和反饋，實(shí)現(xiàn)輪函數(shù)的復(fù)用。
1 DES算法概述與原理
　　DES是一種分組加密算法,將64 bit的明文模塊輸入用64 bit密鑰加密得到64 bit密文輸出。其64 bit密鑰中有效密鑰只有56 bit，其余8 bit為奇偶校驗(yàn)位，不參與運(yùn)算。同時，它也是對稱加密算法，其加密和解密運(yùn)算過程是一樣的，區(qū)別僅僅在于迭代時子密鑰的使用順序，算法本身并沒有任何變化。DES算法的處理流程如圖1所示。

    圖1(a)是整個算法的實(shí)現(xiàn)處理流程，64 bit的明文輸入模塊經(jīng)過初始置換IP后，改變了分組中每個bit的順序,并把置換輸出分為L0、R0兩部分；進(jìn)入16輪迭代運(yùn)算,每一輪迭代都要用到輪函數(shù)f,第16輪迭代兩輸出左右互換的結(jié)果R16、L16作為逆初始置換IP-1的輸入；64 bit的R16、L16經(jīng)過逆初始置換得到64 bit的密文輸出,IP·IP-1=I。
    圖1(b)是單輪迭代運(yùn)算過程，也是一非線性變換的作用過程。第i輪迭代過程的具體描述可表示為[3]：
  
其中,㈩表示2 bit串的“異或”(按位模2加)。
    輪函數(shù)f是迭代運(yùn)算的核心部分，正是在密鑰控制下多次利用論函數(shù)進(jìn)行加密變換，才達(dá)到實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散和混淆的效果。輪函數(shù)f的功能由四個部分按順序完成:(1)將32 bit Ri-1輸入通過擴(kuò)展E變換擴(kuò)展為48 bit的數(shù)據(jù)； (2)將擴(kuò)展后的48 bit數(shù)據(jù)與對應(yīng)的48 bit子密鑰Ki“異或”； (3)將異或結(jié)果分成8個6 bit分組，8個分組在8個不同的非線性S盒的作用下被轉(zhuǎn)變?yōu)?個4  bit分組,其中每個S盒都將6 bit輸入映射為4 bit輸出;(4)將S盒的輸出結(jié)果經(jīng)過P盒的換位置換,得到f(Ri-1,Ki)的32 bit輸出。
    DES實(shí)際有效的密鑰長度為56 bit，對于56 bit的密碼信息，每7 bit擴(kuò)充1 bit奇偶校驗(yàn)位,從而得到64 bit外部密鑰。外部密鑰輸入后，首先經(jīng)過重排PC-1表(剔除奇偶校驗(yàn)位，打亂密碼信息順序)得到56 bit原始密鑰，并分成兩部分28 bit的輸出。每部分按循環(huán)移位次數(shù)表[4]移位，并按重排PC-2表置換得到每輪迭代所需的48位子密鑰。
2 DES算法的FPGA實(shí)現(xiàn)
    本設(shè)計(jì)選用資源優(yōu)先方案,即僅用硬件實(shí)現(xiàn)單輪密鑰變換和密鑰加數(shù)據(jù)運(yùn)算的輪函數(shù),通過重復(fù)16次調(diào)用這一功能模塊來實(shí)現(xiàn)一次DES加/解密運(yùn)算。該設(shè)計(jì)方案原理圖如圖2所示。當(dāng)數(shù)據(jù)裝載信號置為高電平時，待加/解密數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)選擇器送到輪函數(shù)的入口。同時在輪計(jì)數(shù)器的控制下，算法狀態(tài)執(zhí)行位置1。在第一個時鐘到來時,將數(shù)據(jù)(B1、B2)通過輪函數(shù)實(shí)現(xiàn)第一輪變換，經(jīng)過第一輪變換后的數(shù)據(jù)被寄存器鎖存。在下一個時鐘到來時，與相應(yīng)輪的子密鑰一起再次被送到輪函數(shù)的輸入端，這樣循環(huán)16輪后，算法狀態(tài)執(zhí)行位置0，輸出最終數(shù)據(jù)。

    本文在對DES算法進(jìn)行建模時，將整個算法分為子密鑰生成模塊、S盒非線性變換模塊、單輪迭代運(yùn)算模塊和頂層模塊四個部分。其中，單輪迭代運(yùn)算模塊調(diào)用子密鑰生成模塊和S盒模塊實(shí)現(xiàn)了一輪迭代運(yùn)算功能。
2.1子密鑰的生成
    DES算法每一輪次迭代都需要一個子密鑰參與“異或”運(yùn)算。傳統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)時，通過對外部密鑰的換位重組，以及每次迭代對應(yīng)的不同次數(shù)的循環(huán)移位，預(yù)先生成子密鑰。這樣不僅語言描述復(fù)雜，占用的硬件資源較多，而且每輪密鑰移位次數(shù)也不同，需要的運(yùn)算時間不同，會給算法的迭代運(yùn)算帶來更大的等待延遲。
    外部密鑰先后經(jīng)過置換重排1、第n輪的循環(huán)移位和置換重排2這三個步驟得到第n輪的子密鑰。通過分析可知這一系列處理都只是位的置換，每輪迭代需要每一位子密鑰，相對于外部密鑰的每一位存在一定固定的對應(yīng)關(guān)系。為了降低資源消耗，提高算法執(zhí)行速度，設(shè)計(jì)中可將三個步驟合并成一次位的置換。采用硬件描述語言Verilog HDL對子密鑰生成模塊進(jìn)行組合邏輯設(shè)計(jì),其仿真結(jié)果如圖3所示。圖中，mode為工作方式（=0時,加密；=1時,解密);外部密鑰為十六進(jìn)制數(shù)133457799bbcdff1時，prekey為外部密鑰被剔除奇偶校驗(yàn)位生成的56 bit有效密鑰重排PC-1得到的原始密鑰，newkey為經(jīng)過重排PC-2置換的48 bit子密鑰。只要改變迭代輪數(shù)ki，就會預(yù)先生成子密鑰。迭代輪數(shù)的變化是通過輪計(jì)數(shù)器來控制。

    此設(shè)計(jì)方案消除了子密鑰之間的相關(guān)性，便于子密鑰在迭代過程中動態(tài)分發(fā)。同時，簡化了子密鑰的產(chǎn)生，有效地節(jié)約了硬件資源。
2.2 單輪迭代運(yùn)算模塊
    DES算法是典型的迭代分組密碼算法，實(shí)現(xiàn)過程的核心是16輪次迭代運(yùn)算。16輪迭代運(yùn)算過程完全相同，只是輪迭代的輸入?yún)?shù)不同。迭代運(yùn)算中的輪函數(shù)f是非線性的，它是每輪實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散和混淆的關(guān)鍵。其中，E盒擴(kuò)展置換和P盒置換都是線性變換，而S盒代換部件是一個十分復(fù)雜的非線性函數(shù)，正是經(jīng)過它的非線性變換才使明文實(shí)現(xiàn)了較好的混亂，達(dá)到加解密的效果，從而具有較強(qiáng)的安全性。因此，S盒設(shè)計(jì)在整個DES算法中是非常關(guān)鍵的。
    S盒的功能描述：如果用a1a2a3a4a5a6表示6 bit輸入，那么4 bit的輸出值可以通過查表得到,行的a1a6索引的表示與列的a2a3a4a5索引表示均為二進(jìn)制數(shù)。因此，建立S盒模型時，一般采用case語句來實(shí)現(xiàn)。用case多分支選擇語句實(shí)現(xiàn)S盒有兩種方法：(1)直接使用輸入為6變量,輸出為4變量的case語句對S盒描述,形成一個4 bit 64個存儲空間的表。此方法可讀性強(qiáng)，但8個S盒需要8×64個存儲空間，占用大量資源，綜合效率低，速度慢，不利于整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn); (2)由于S盒是一個4×16的二維數(shù)組，使用雙重case語句，外層使用2個變量，對應(yīng)S盒輸入的第1、6位。內(nèi)層使用4個變量，對應(yīng)S盒輸入的第2、3、4、5 位。采用雙重case語句可以直接定位輸出結(jié)果。該方案可充分利用FPGA的內(nèi)部資源，提高綜合效率，加快算法執(zhí)行速度。經(jīng)過綜合后，單個S盒的實(shí)現(xiàn)僅占用24個邏輯單元，相對于直接使用6個變量的case語句的實(shí)現(xiàn),占用資源約減少50%。
     本文對單輪迭代運(yùn)算進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)過程調(diào)用了密鑰生成模塊和S盒模塊。由于該設(shè)計(jì)的子密鑰是獨(dú)立產(chǎn)生的，彼此不相關(guān)，因此在一輪運(yùn)算中，不需把子密鑰輸出作為下輪運(yùn)算用來產(chǎn)生密鑰的輸入。子密鑰通過控制信號直接控制子密鑰生成模塊產(chǎn)生分發(fā)，在一輪運(yùn)算中只參與與E擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)進(jìn)行“異或”運(yùn)算,既節(jié)省了器件的管腳資源,又提高了算法的執(zhí)行效率。同樣,S盒在具體實(shí)例調(diào)用時，亦采用了此方法。單輪迭代變換仿真結(jié)果如圖4所示。圖中，ki_i為控制子密鑰動態(tài)分發(fā)的控制信號；L_i和R_i是第i輪非線性變換的輸入；R_i是經(jīng)過輪函數(shù)一系列運(yùn)算生成的數(shù)據(jù)與輸入L_i“異或”，產(chǎn)生的結(jié)果作為輸出R_o；把R_i直接賦值給輸出L_o。

2.3 頂層模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    頂層模塊的功能就是調(diào)用單輪迭代運(yùn)算模塊，實(shí)現(xiàn)16輪次循環(huán)迭代，完成DES算法的總體設(shè)計(jì)。采用組合邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的初始置換IP、輪函數(shù)f、子密鑰的產(chǎn)生以及最后的逆初始置換IP-1。圖5所示為DES算法的最終設(shè)計(jì)工程文件生成的原理圖。

    頂層模塊僅在數(shù)據(jù)裝載控制信號load為高電平時,接收外部數(shù)據(jù)din;發(fā)送控制信號ready為高電平時,輸出dout為有效數(shù)據(jù)。由于16輪迭代的每一輪運(yùn)算都要用到上一輪的最后計(jì)算結(jié)果，并且每輪迭代都是調(diào)用單輪迭代運(yùn)算模塊。因此，設(shè)計(jì)了算法執(zhí)行狀態(tài)指示位dt，用來協(xié)調(diào)控制整個DES算法的各輪迭代運(yùn)算結(jié)果的反饋賦值。采用Altera公司的CycloneII系列的EP2C8Q208C8器件作為平臺，在Quartus II 8.0下對Verilog HDL代碼進(jìn)行綜合，然后布局布線對其進(jìn)行時序仿真，仿真結(jié)果完全符合時序要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。由表1給出的DES算法硬件實(shí)現(xiàn)性能對比結(jié)果表明，在資源使用和實(shí)現(xiàn)速度方面，本文算法實(shí)現(xiàn)方案都比較理想。DES系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)所占用的邏輯單元數(shù)僅為468,小于整個硬件資源的6%，可見設(shè)計(jì)資源得到了極大的優(yōu)化利用。
    本文的創(chuàng)新點(diǎn)：在傳統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)先方案的基礎(chǔ)上，采取在輪函數(shù)內(nèi)部設(shè)置流水線結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行速度，既節(jié)省了硬件資源，又提高了系統(tǒng)的性能;簡化了子密鑰與外部密鑰的生成關(guān)系，消除了各個子密鑰之間的相關(guān)性，保證了在子密鑰和數(shù)據(jù)異或運(yùn)算的輪函數(shù)實(shí)現(xiàn)時，子密鑰的動態(tài)分發(fā)。
    通過對整個DES算法的詳細(xì)分析，提出了合理的分模塊設(shè)計(jì)思想，并采用Verilog硬件描述語言對算法進(jìn)行了驗(yàn)證仿真。設(shè)計(jì)文件最終生成的原理圖可以完成DES算法的功能，對其進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，可以作為功能模塊嵌入到實(shí)際系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的實(shí)時、可靠傳輸，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。
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