一種基于嵌入式系統的3DES算法IP核的設計

解同同，李天陽

一種基于嵌入式系統的3DES算法IP核的設計

解同同1，李天陽2

（1.江南大學物聯網工程學院，無錫214122；2.中國電子科技集團公司第58研究所）

使用Verilog語言設計了一款3DES算法IP核，采用ARM公司的AMBA總線，使其可以用于ARM體系結構的嵌入式芯片中。首先通過分析3DES算法原理，提出IP核的整體結構，對算法的關鍵部分狀態機和S盒進行分析設計，完成整體設計后再進行驗證與綜合。目前該IP核的綜合結果符合要求，并已通過仿真驗證，在一款32位高性能DSP芯片中得到了成功應用。

嵌入式系統；3DES；IP核；AMBA

引 言

隨著嵌入式系統朝著網絡化發展，安全性將成為嵌入式系統必須考慮的問題。對傳輸信息進行加、解密是保障信息傳輸安全的主要方法，3DES算法是一種在嵌入式系統中得到廣泛應用的加解密算法［1］。信息數據的加密主要分為軟件加密與硬件加密。使用軟件進行3DES加、解密的缺點主要有：明文和密鑰需要存儲在磁盤中，有泄露的風險［2］；會占用系統資源，拖慢系統速度。而3DES算法常使用移位、異或、換位等位操作，非常適合采用硬件電路實現加密。

許多硬件加密IP核都是針對某一芯片專門設計的，通用性不好。ARM公司提出的AMBA總線標準，已經成為系統芯片設計領域公認的總線標準，其中使用最多的是AHB- APB架構。因此設計一款可以掛接到AHB總線上的3DES算法IP核具有重要意義。本文設計的3DES算法模塊IP核，采用AHB總線接口，使用硬件資源少，可靈活地改變工作方式，具有很強的通用性，可以很容易集成到嵌入式芯片中。

1　3DES算法簡介

圖1　DES算法基本流程

3DES算法是通過普通DES算法的混合運算來實現的三重DES算法，它是DES算法的一個變形［3］。DES算法的基本流程如圖1所示。64位明文輸入后，首先使用初始置換IP對明文中的各位進行換位，打亂排列次序后進入一個16輪運算組，進行16輪迭代，最后經過逆初始置換IP進行換位，生成64位密文。

在16輪運算的每輪變換中，先將64位輸入分成左、右兩部分（各32位）。左半部分不變，右半部分進行位的擴展，從32位擴展成48位后與48位的子密鑰進行異或，得到8組每組6位的數據，輸入到8個S盒中進行S盒置換（6位輸入，4位輸出），得到32位數據。再將此時的右半部分的數據與左半部分的數據進行異或操作，生成新的右半部分，最終左半部分與右半部分合并輸出。

DES算法使用64位密鑰中的56位，而56位密鑰的窮舉空間為256，這樣即使用窮舉搜索法進行攻擊，也幾乎難以破解。然而，隨著硬件技術和互聯網的發展，使用窮舉攻擊破解的可能性也越來越大，如果使用專門設計的硬件并行處理，只要幾個小時就可能破解［4］。為了增大DES算法的密鑰空間，提出了3DES算法。

3DES算法的原理如圖2所示。它采用加密-解密-加密序列對明文進行三次加密，K1、K2、K3為3個56位的密鑰，3個密鑰互不相同時安全性最高，此時相當于擁有168位的密鑰，可以有效地對抗窮舉法破解［5］。

圖2　3DES算法原理

2　電路設計

2.1總體結構

圖3　3DES算法lP結構框圖

3DES算法IP總體結構如圖3所示，由AHB總線接口模塊、寄存器模塊、狀態機控制模塊和數據處理模塊組成。AHB總線接口模塊作為AHB總線從機接口［5］，將AHB總線主機發出的信號轉換為3DES模塊所需信號。寄存器模塊用來存放數據寄存器和密鑰寄存器的值。狀態機控制模塊通過狀態機的輪轉控制其余模塊工作并存放控制寄存器的值，同時向外提供加密完成、解密完成和密鑰檢驗錯誤三個中斷信號。數據處理模塊是3DES加解密算法的具體硬件實現。

3DES算法IP設置了一個64位的數據寄存器，用來存放等待加解密的數據，3個64位的密鑰寄存器用來存放密鑰，使用時需要依次向密鑰寄存器1、2、3中寫入相應密鑰。主要控制功能由32位的控制狀態寄存器DCCSR實現，其具體功能如表1所列。

表1　控制狀態寄存器DCCSR功能

2.2狀態機設計

3DES算法需要對64位明文或密文依次進行3次DES加密或解密，得到64位密文或明文。一般有兩種結構：一種是由3個DES模塊并行工作，形成流水線結構，這樣速度快；另一種是采用單個DES模塊，控制DES模塊順序進行3次加密或解密，這樣可以節省硬件資源［6］。為了節約硬件資源、縮小芯片面積，保證IP核的可讀性和通用性，采用單個DES模塊順序進行加解密。

狀態機控制模塊使用計數器對加解密運算中的16輪或48輪迭代進行計數，判定狀態的跳轉，控制狀態寄存器DCCSR起著重要作用。如圖4所示，主狀態機的設計中共定義了3種基本狀態：空閑狀態、加密狀態和解密狀態。

空閑狀態：系統復位后或寄存器DCCSR中TC位置1后，IP核進入空閑狀態，加密完成或解密完成轉到空閑狀態。

加密狀態：寄存器DCCSR中CD位置0后，由空閑狀態轉到加密狀態。

解密狀態：寄存器DCCSR中CD位置1后，由空閑狀態轉到解密狀態。

圖4　主狀態機

此外，根據寄存器DCCSR中CD位和CT位的值，以及計數器的值來判定狀態轉換，以實現加密狀態與解密狀態之間的變換。

圖5所示為加密運算子狀態流程圖，解密狀態算法與加密相似。用Verilog語言設置5個狀態：State0為輸入狀態；State1為第一次16輪迭代狀態；State2為第二次16輪迭代狀態；State3為第三次16輪迭代狀態；State4為輸出狀態。

圖5　加密運算子狀態流程圖

狀態轉換過程：進入輸入狀態后，每個周期輸入8位數據，計數器count從0開始計數，每輸入一次明文和密鑰，count加1，期間緩沖一個周期，等待密鑰生成。count=7時，64位明文和密鑰輸入完成。開始第一次16輪循環迭代，count再次從0開始計數，每完成一輪迭代，count加1，count=15時，第一次16輪迭代完成。當控制狀態寄存器DCCSR中的CT=0時，表明使用DES算法，轉入輸出狀態；CT=1時，使用3DES算法，進入第二次16輪迭代狀態。先緩沖一個周期，等待密鑰模塊產生子密鑰，然后count歸0開始計數，每完成一輪迭代，count加1。count= 15時，第二次16輪迭代完成。再次緩沖一個周期，等待密鑰模塊產生子密鑰，電路轉入第三次16輪迭代狀態。Count歸0開始計數，每完成一輪迭代，count加l。count= 15時，完成第三次16輪迭代。進入輸出狀態，count=7時，完成輸出。

2.3S盒實現

在DES算法的16輪迭代運算中，只有S盒變換是非線性和不可逆的，需要依靠S盒實現運算過程中的混亂操作［7］。由于16輪迭代運算是DES算法的核心，所以S盒是整個3DES算法的關鍵部位。

采用Verilog硬件描述語言建立S盒電路模型的方法主要有兩種：一種是采用Verilog語言中的多重選擇語句case，用純組合邏輯來實現；另一種是利用FPGA器件內部的嵌入式陣列塊進行查表的方式實現，為了節省硬件資源，采用雙層嵌套的case語句來實現。總共需要8個S盒，每個S盒都是6位輸入、4位輸出。每個S盒的具體功能不一樣，但是設計方法類似。單個S盒設計的部分代碼如下所示：

單個S盒的輸入為s_bit［5：0］，輸出為f_bit［3：0］。為了降低資源占用，通過雙層case嵌套，使用4輸入選擇器而不是6輸入選擇器。設計時外層使用輸入數據的s_bit［0］與s_bit［5］作為外層case的控制變量，s_bit［1］、s_bit［2］、s_bit［3］、s_bit［4］作為內層case的控制變量，這樣設計既能保證數據運算能力，又能降低資源占用率。

3　功能驗證與設計實現

本文的3DES算法IP核用Verilog語言進行設計，使用Synopsys公司的DC軟件進行綜合，器件庫選用TSMC的65 nm典型庫，頻率為500 M Hz，電壓為0.95 V，結果如表2所列。18 穩定性與可擴展性。提出了基于時空約束的組播路由算法，克服了單層結構的所有節點均需路由消耗能量，降低了節點設備的能耗。未來網絡的自適應性決定了本文中的網關必須要融合多網絡的功能，目前采用基于IPv6的地址池來分配地址，可以增加地址空間的容量，在此基礎上增加諸如源地址檢查、無狀態地址映射等技術，期望能滿足未來互聯網的要求。

［1］李嵩，李永超，夏葳，等.物聯網技術在氣象業務中的應用性研究［J］.中小企業管理與科技：中旬刊，2016（1）：34-36.

［2］王夢迪，楊柳濤.新型集裝箱狀態監測系統軟件設計［J］.上海船舶運輸科學研究所學報：2015（4）.

［3］羅濤.基于ZigBee技術的糧倉環境監測系統設計與實現［J］.物流工程與管理，2015（11）：80-83.

［4］馬國俊.基于物聯網技術的甘南牦牛疾病預警系統［J］.工業儀表與自動化裝置，2015（5）：56-58.

［5］李眾，王鵬澄，陸海空，等.基于ZigBee、以太網、WiFi技術的網關設計［J］.測控技術，2015（3）：120-122.

［6］高泗俊，張永剛，周小林，等.農業物聯網應用服務監測系統的設計［J］.上海師范大學學報：自然科學版，2015（01）：58-70.

［7］王倩，鄭樹泉，丁志剛，等.一種“一主多從”的物聯網網關系統設計與實現［J］.計算機應用與軟件，2015（1）：77-79.

［8］李孟，王季壯，田雨，等.農業物聯網網關設計［J］.機械與電子，2014（12）：44-46.

陳勇（高級工程師），研究方向為軟件和集成電路、物聯網。

（責任編輯：薛士然 收修改稿日期：2016-03-29）

該IP核可通過寄存器選擇DES算法或3DES算法；有3種中斷信號并支持AMBA總線接口，具有良好的片上集成性與可重用性；可自動或強制開始轉換方式，加解密運算可停止；可以鎖定總線，對轉換過程進行實時監控。由綜合結果可知，時間冗余為正數，功耗和面積都滿足設計預期。該IP核在500 MHz工作頻率下，加解密轉換速率為610 Mbps，實現了設計目標。

表2　綜合結果

結 語

本文設計的3DES算法IP核已成功應用于一款32位高性能DSP芯片中，此芯片采用軍用CMOS工藝，最高工作頻率為300 MHz。如圖6所示，3DES算法IP核掛接到AMBA總線上，作為整個嵌入式芯片的加解密引擎，可以提供快速、安全的硬件加解密支持，保證了通信數據的安全，在DES模式下的加解密速率可達到1.6 Gbps。由于該IP核使用AMBA總線接口，可以方便地在各類嵌入式芯片的開發中得到進一步應用。隨著集成電路產業的迅速發展，采用更先進的工藝與制程，該IP核依然有很大的提升空間。

圖6　3DES算法模塊在DSP芯片中的位置

參考文獻

［1］陳志平，雷航，楊霞，等.嵌入式安全操作系統的研究和實現［J］.計算機工程，2007（1）：83-85.

［2］周學廣，劉藝.信息安全學［M］.北京：機械工業出版社，20-03.

［3］戴紫彬，孫萬忠，張永福.DES算法IP核設計［J］.半導體技術，2003，28（5）：58-59.

［4］王簡瑜，張魯國.基于FPGA實現DES算法的性能分析［J］.微計算機信息，2007，23（3）：217-219.

［5］張麗娜，陳建華.基于ASIC的有效DES/3DES流水線設計［J］.計算機工程，2007，33（2）：225-226.

［6］梅振宇，張虹.基于非S盒變換的DES分組密碼的改進［J］.計算機工程與設計，2007，28（17）：4119-4121.

［7］晏福平，盛利元，簡遠鳴.基于DSP的3DES加密系統的設計與實現［J］.計算機測量與控制，2009，17（7）：1390-1392.

解同同（碩士研究生）、李天陽（工程師），研究方向為集成電路設計。

（責任編輯：薛士然 收修改稿日期：2016-03-28）

Design of 3DES Algorithm lP-core Based on Embedded System

Xie Tongtong1，Li Tianyang2
（1.College of Internet of Things，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.NO.58 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation）

This paper introduces the design of 3DES algorithm IP-core using Verilog language，which adopts ARM's AMBA bus.It can be used for embedded chip in ARM architecture.Firstly，the principle of 3DES algorithm is introduced，the overall structure of IP-core is proposed，the key part of the state machine algorithm and S box are analyzed.Then on the basis of overall design，the verification and synthesis are completed.The comprehensive results of the IP-core meet the requirements.The design has been verified by the simulation，and successfully applied in a 32-bit high performance DSP chip.

embedded system；3DES；IP-core；AMBA

TP334

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