基于FPGA的DES加密算法的高性能實(shí)現(xiàn)
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隨著通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，要求數(shù)據(jù)的通信、處理和存儲(chǔ)的安全性和可靠性越來(lái)越高。開(kāi)發(fā)安全加密機(jī)器，要求具備實(shí)時(shí)加密，可改變密鑰，使用多種算法等性能，因此可重用、參數(shù)化的加密核成為一種理想的安全加密設(shè)計(jì)。
目前加密算法有單密鑰和公用密鑰2種體制。單密鑰體制中最著名的是DES加密算法，它是目前應(yīng)用廣泛的分組對(duì)稱加密算法，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、視頻傳輸、數(shù)字電視接收等方面。文獻(xiàn)指出，盡管軟件實(shí)現(xiàn)的DES加密算法容易改變，但是其數(shù)據(jù)處理速率低；專用集成電路ASIC可提供高性能算法但靈活性差；而FPGA實(shí)現(xiàn)的加密算法具有對(duì)同一個(gè)FPGA使用不同算法的重新編程可增加其靈活性，使用同一個(gè)算法的不同版本和改變結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)。因此利用FPGA實(shí)現(xiàn)DES加密算法是一種理想選擇并具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
為了克服傳統(tǒng)DES加密算法流水線的FPGA實(shí)現(xiàn)的子密鑰需先后串級(jí)計(jì)算，密鑰不能動(dòng)態(tài)刷新的缺點(diǎn)，提出一種新的加密算法，提高DES FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的處理速度，增加系統(tǒng)的密鑰動(dòng)態(tài)刷新功能，提高系統(tǒng)的可重用性。
2 DES加密算法原理
DES加密算法是將64位的明文輸入塊變?yōu)?4位的密文輸出塊，其密鑰是64位，其中8位是奇偶校驗(yàn)位。整個(gè)算法的處理流程如圖1所示。
從整體結(jié)構(gòu)來(lái)看，DES加密算法可分為3個(gè)階段：
(1)對(duì)于給定的明文m，通過(guò)一個(gè)(固定的)初始置換IP重新排列m中的所有比特，從而構(gòu)造比特串m0。把64位比特串m0拆分成左右2個(gè)部分，即m0=IP(m0)=L0R0，這里L(fēng)0由m0的后32位組成。
(2)計(jì)算16次迭代變換，所有16次迭代具有相同結(jié)構(gòu)。第i次迭代運(yùn)算是以前一次迭代的結(jié)果和由用戶密鑰擴(kuò)展的子密鑰Ki作為輸入；每一次迭代運(yùn)算只對(duì)數(shù)據(jù)的右半部分Ri-1進(jìn)行變換，并根據(jù)以下規(guī)則得到LiRi作為下一輪迭代的輸入
表示2個(gè)比特串的異或(按位模2加)。其中每一輪次運(yùn)算的子密鑰Ki是將56位密鑰分成2個(gè)部分，每部分按循環(huán)移位次數(shù)表移位并按置換選擇表置換得到。輪函數(shù)f的處理過(guò)程：先將Ri-1進(jìn)行E置換，再與本輪的子密鑰相異或，最后將S盒字替換和P置換。圖2是DES算法的一輪處理框圖。
(3)對(duì)16次迭代變換的結(jié)果使用IP置換的逆置換IP-1，最后所得到的輸出即為加密后的密文。
3 DES加密算法的FPGA實(shí)現(xiàn)
3．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
DES加密算法是以多輪的密鑰變換輪函數(shù)和密鑰+數(shù)據(jù)運(yùn)算輪函數(shù)為特征，與之相對(duì)應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)．既可以通過(guò)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)性能優(yōu)化，即性能優(yōu)先方案；也可通過(guò)分時(shí)復(fù)用，重復(fù)調(diào)用一份輪函數(shù)的硬件拷貝，以時(shí)間換空間，從而得到硬件資源占用上的最小化，即資源優(yōu)先方案。考慮到加密系統(tǒng)首先需滿足實(shí)時(shí)處理要求，因此選用速度性能優(yōu)先方案。
DES算法的迭代特征使其適用于采用循環(huán)全部打開(kāi)和流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于提前生成子密鑰，并且用邏輯電路完成S盒設(shè)計(jì)，就可以解開(kāi)DES算法的16次循環(huán)迭代為16級(jí)流水線數(shù)據(jù)塊加密，實(shí)現(xiàn)16個(gè)數(shù)據(jù)塊同時(shí)加密。這樣，從第1個(gè)數(shù)據(jù)塊開(kāi)始加密，經(jīng)16輪次延時(shí)后，每一輪次延時(shí)都會(huì)有一個(gè)數(shù)據(jù)塊編碼完成輸出一個(gè)密文塊。這樣它的加密速度是循環(huán)式加密的16倍，而代價(jià)是面積增加16倍，但考慮到每個(gè)輪次都是組合邏輯運(yùn)算，占用面積小，這樣的代價(jià)完全能夠接受。圖3是基于子密鑰預(yù)計(jì)算的DES算法流水線處理原理圖。
評(píng)論