基于FPGA的3DES算法的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

周慶芳

[摘要]隨著密碼分析技術(shù)的不斷發(fā)展，超期服役的DES算法已被攻破，3DES算法有了很大的生存空間，被大量用來代替已經(jīng)不安全的DES算法。本文通過對可編程邏輯器件FPGA的相關(guān)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)和對3DES算法的研究，以FPGA為平臺進(jìn)行3DES算法的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

[關(guān)鍵詞]FPGA 3DES 設(shè)計(jì) 應(yīng)用

一、引言

網(wǎng)絡(luò)安全除了依賴安全的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及應(yīng)用協(xié)議外，更多地取決于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所提供的加/解密功能。目前，基于DES算法的加，解密硬件廣泛應(yīng)用于國內(nèi)衛(wèi)星通信、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器以及其他大量的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)中。DES算法是一種采用傳統(tǒng)加密方法的分組密碼，它的算法是對稱的，既可用于加密又可用于解密。

隨著密碼分析技術(shù)的發(fā)展，DES算法已被攻破，在不對原有應(yīng)用系統(tǒng)做大的改動(dòng)的情況下，3DES算法有了很大的生存空間，被大量用來代替已經(jīng)不安全的DES算法。本文通過對可編程邏輯器件FPGA的相關(guān)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)和對3DES算法的研究，以FPGA為平臺進(jìn)行3DES算法的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，經(jīng)仿真驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)加/解密功能，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

二、算法介紹

3DESs～DES的一個(gè)更安全的變形。其中s盒是3DES（DES）算法的心臟，靠它實(shí)現(xiàn)非線性變換。

3DES算法可以描述如下：設(shè)ek（x）和dk（x）分別表示用DES算法對64位的位串加密和解密，密鑰為k；64位的密文c是通過執(zhí)行下面的運(yùn)算得到的：

c=ek3（dk2（ek1（x））

其中，k1、k2、k3是56位的DES密鑰。從密文c導(dǎo)出明文x的3DES的解密過程是加密過程的反過程，其描述如下：

x=dk1（ek2（dk3（c）））

三、3DES的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）設(shè)計(jì)過程

3DES（DES）算法沒有大量的復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算（如乘、帶進(jìn)位的加、模等），在加，解密過程和密鑰生成過程中僅有邏輯運(yùn)算和查表運(yùn)算。這些特點(diǎn)為采用FPGA進(jìn)行高速設(shè)計(jì)提供了契機(jī)。由于DES算法中每個(gè)分組需經(jīng)過16輪運(yùn)算，如果采用順序電路構(gòu)架則每過16輪運(yùn)算才能得到一個(gè)加密分組，大大降低了加密效率。高速DES運(yùn)算電路采用流水結(jié)構(gòu)，16步迭代設(shè)計(jì)16個(gè)運(yùn)算模塊，分別稱作LUNl、LUN2、…、LUNl6，數(shù)據(jù)在各模塊間流水運(yùn)算。當(dāng)系統(tǒng)對第i個(gè)輸入的數(shù)據(jù)元素進(jìn)行第j段運(yùn)算的同時(shí)，還可以對第i+1個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行第卜1段的運(yùn)算，對第i+2個(gè)輸入的數(shù)據(jù)元素進(jìn)行第i-2段的運(yùn)算……以此提高系統(tǒng)的運(yùn)算效率。

（二）控制電路

控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，可以采用移位寄存器或計(jì)數(shù)器加譯碼電路構(gòu)成，為減少信號毛刺，提高電路運(yùn)算的穩(wěn)定性與工作速度。這里選用一個(gè)17bits的串人并出移位寄存器，其中16bits用于生成算法的每輪運(yùn)算的使能信號，另外1bit用于生成指示加密輸出的ready信號。

（三）密鑰生成模塊

密鑰生成模塊與流水構(gòu)架DES運(yùn)算電路的工作時(shí)序相對應(yīng)，其16步迭代運(yùn)算所需子密鑰必須同時(shí)生成。密鑰生成模塊由選擇控制電路PC-1、選擇輸出、壓縮置換電路PC-2構(gòu)成。該部分的輸入是64bits初始密鑰，輸出為每次迭代運(yùn)算用的子密鑰，使能控制信號、模式控制信號。64bits初始密鑰經(jīng)過置換選擇PC-1去除校驗(yàn)位并被分離成左右兩部分，各28bits，在模式控制信號（加密或脫密）及內(nèi)部狀態(tài)機(jī)信號控制下，根據(jù)移位表，選擇輸出，經(jīng)壓縮置換PC-2同時(shí)形成各步迭代所需運(yùn)算子密鑰。

四、系統(tǒng)仿真

（一）3DES加/解密運(yùn)算模塊

3DES算法進(jìn)行3次DEs算法，所以只要寫出DES算法的程序，進(jìn)行例化調(diào)用即可。

（二）密鑰生成模塊

密鑰生成模塊是系統(tǒng)的核心模塊，采用隨機(jī)方式生成的密鑰，具有代表性。

五、小結(jié)

本文通過對3DES加/解密算法的設(shè)計(jì)，展示出了FPGA在3DEs加/解密算法上的應(yīng)用，讓我們從一個(gè)更高的角度來理解FPGA的設(shè)計(jì)，在以后的設(shè)計(jì)實(shí)踐中應(yīng)從FPGA接口方面考慮來完善該設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要包括密鑰生成模塊、控制電路等幾個(gè)方面設(shè)計(jì)3DES加/解密系統(tǒng)，經(jīng)仿真驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)加/解密功能，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。