基于FPGA的DES、3DES硬件加密技術(shù)

1、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。這種辦法除占用主機(jī)資源外，運(yùn)算速度較慢，平安性也較差。而硬件加密是通過(guò)專(zhuān)用加密芯片、芯片或自立的處理芯片等實(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、平安性高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)首先用硬件描述語(yǔ)言（）舉行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)，然后采納fpga來(lái)詳細(xì)實(shí)現(xiàn)。采納fpga設(shè)計(jì)靈便，可對(duì)芯片內(nèi)部單元舉行配置，可以縮短設(shè)計(jì)周期和開(kāi)發(fā)時(shí)光，同時(shí)經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以達(dá)到較高的性能。另外有多種開(kāi)發(fā)軟件支持fpga的設(shè)計(jì)，在本設(shè)計(jì)中采納了eda綜合工具syn

2、plify和公司的 ii 7.2開(kāi)發(fā)軟件。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)囫圇系統(tǒng)由fpga、時(shí)鐘、電源電路等部分組成，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模塊舉行相應(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)銜接下載電纜到主機(jī)的并口，便于用規(guī)律分析議對(duì)系統(tǒng)調(diào)試。epcs4是fpga的配置芯片，用來(lái)存儲(chǔ)程序。因?yàn)橄到y(tǒng)掉電后fpga內(nèi)的程序?qū)⒆呤?，所以每次上電后fpga首先從epcs4里讀取相

3、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(hù)i/o引腳數(shù)量應(yīng)有一定的富饒。終于挑選了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)采納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（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、解密挑選端，高電平舉行加密操作，低電平舉行解密操作；din63.0：數(shù)據(jù)輸入端；di

4、n_valid：數(shù)據(jù)輸入有效端；key_in55.0：密鑰輸入端；dout63.0：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)記端，當(dāng)busy為高時(shí)解釋正在舉行算法轉(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)是組合規(guī)律和寄存器規(guī)律的特別組合，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)在一定的條件下互相轉(zhuǎn)移。狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移圖3所示，下面以加密過(guò)程為例，解釋詳細(xì)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)算法挑選信號(hào)choo

5、es=1時(shí)挑選3des算法；開(kāi)頭信號(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)完后推斷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)舉行加密，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)，之后推斷是否處理完了全部的明文分組，假如未處理完，當(dāng)busy=0時(shí)重復(fù)3des_data狀態(tài)，加密下一個(gè)明文分組，

6、直處處理完全部的明文數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)才進(jìn)入3des_done狀態(tài)，從而完成了囫圇加密過(guò)程。解密的過(guò)程同加密過(guò)程一樣，通過(guò)規(guī)律加以區(qū)別。des模塊的設(shè)計(jì)des模塊采納4個(gè)des核并行處理數(shù)據(jù)的流水線設(shè)計(jì)辦法。其狀態(tài)機(jī)同3des類(lèi)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063bit，其次個(gè)des核處理64127bit，依次類(lèi)推。操作完成后des模塊將256位的密文或明文再傳入到ram里。采納流水線設(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。計(jì)劃的驗(yàn)證及性能調(diào)試的過(guò)程中用到signa

7、ltap，signaltap宏功能是一種規(guī)律分析器，能夠在器件的特定觸發(fā)點(diǎn)捕捉數(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j(luò)tag接口，通過(guò)byteblaster ii 下載電纜上傳到quartus ii波形編輯器中舉行顯示。圖4為在調(diào)試過(guò)程中用signaltap捕獲到的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）。終于調(diào)試des、3des算法加解密勝利后，將quartus ii 7.2編譯生成的編程文件通過(guò)下載電纜byteblaster ii下載到我們的實(shí)驗(yàn)板卡上。在windows

8、 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，終于測(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)序波形圖注重事項(xiàng)用signaltap舉行調(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)的波形變幻。因?yàn)橄到y(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)鐘舉行倍頻，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)辦法優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)過(guò)程中采納了狀態(tài)機(jī)和流水線技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)的加解密速度；另外采納fpga使得設(shè)計(jì)比較靈便，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)算采納窮舉襲擊的辦法破解過(guò)，目前也已經(jīng)設(shè)計(jì)出采