??? 摘? 要： 介紹了DES算法的基本原理與加密過程，給出了基于FPGA的DES算法的硬件實(shí)現(xiàn)，并且用Quartus II 實(shí)現(xiàn)了模塊仿真，驗(yàn)證了DES加密算法。?
??? 關(guān)鍵詞： DES算法； FPGA； 仿真
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??? 隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，如何保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸過程的安全已成為一項(xiàng)急迫的要求。政府部門、金融行業(yè)、通信行業(yè)、情報(bào)等系統(tǒng)都非常重視信息的安全。密碼安全技術(shù)則是所有安全服務(wù)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)加密是信息安全的重要手段，DES密碼算法是最有代表性的分組加密算法，1976年被美國政府采用，隨后又被美國國家標(biāo)準(zhǔn)局和美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)承認(rèn)，發(fā)展至今已成為工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)密碼算法，目前廣泛應(yīng)用于保密通信中。DES算法用64位的密鑰對(duì)64位的明文加密，64位密鑰中每8位就有一奇偶校驗(yàn)位，不參與運(yùn)算，因此有效密鑰只有56位。此外，由于該算法的對(duì)稱性，其加密和解密運(yùn)算過程完全相同，只是在迭代運(yùn)算時(shí)子密鑰的使用順序不同[1]。DES加密算法有各種實(shí)現(xiàn)方案，本文提出一種DES加密算法的硬件實(shí)現(xiàn)方法。?
??? DES算法主要包括：初始置換、16輪迭代的乘積變換、初始逆置換以及16個(gè)子密鑰產(chǎn)生器[2]。DES 加密過程如圖1所示。?
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??? 初始置換主要用于對(duì)明文中的各位進(jìn)行換位，目的在于打亂明文中各位的排列次序，輸出結(jié)果按奇偶分為左右兩路送入乘積變換部分。在這個(gè)過程中不使用密鑰，僅僅對(duì)64位碼進(jìn)行移位操作。而進(jìn)行逆初始置換是為了使加解密統(tǒng)一使用同一種算法。初始置換與初始逆置換只是將64位輸入的數(shù)據(jù)按位進(jìn)行重新排列，只需要一些輸入輸出端口，按照置換規(guī)則把輸入與輸出對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)即可[3]。下面只介紹密鑰的產(chǎn)生與16輪迭代乘積變換模塊的設(shè)計(jì)。?
1 子密鑰生成模塊?
??? DES算法每一輪次迭代都需要一個(gè)子密鑰，要實(shí)現(xiàn)DES算法就需要提前生成子密鑰，并且按照時(shí)序準(zhǔn)確地傳遞給迭代過程。?
??? 子密鑰產(chǎn)生模塊由選擇控制、循環(huán)移位控制等部分構(gòu)成。該模塊的輸入是64位初始密鑰，輸出為參加每次迭代運(yùn)算的子密鑰，另外還有一個(gè)控制信號(hào)（time），用來控制在不同迭代過程中移位的次數(shù)。本設(shè)計(jì)采用硬件描述語言（VHDL)按照子密鑰產(chǎn)生的過程，通過置換選擇1、循環(huán)移位、置換選擇2，一步一步得到子密鑰的。循環(huán)移位仿真結(jié)果如圖2所示。圖中，c0、d0是經(jīng)過置換選擇1后得到的前后28位，Time為控制移位次數(shù)的控制信號(hào)，k1為移位后的結(jié)果，再經(jīng)過置換選擇2即可得子密鑰。?
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??? 因?yàn)槊枯喴莆坏拇螖?shù)不同，所以每輪子密鑰產(chǎn)生的時(shí)間也不相同，所以會(huì)給迭代運(yùn)算帶來延遲，這也是采用VHDL設(shè)計(jì)存在的不足。從VHDL設(shè)計(jì)結(jié)果可以看出，原密鑰與每輪子密鑰之間有固定的關(guān)系，因此，可以通過軟件分析，建立子密鑰相對(duì)于原始密鑰的關(guān)系表，在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)直接使用此關(guān)系表即可，這樣也可以有效地節(jié)省硬件資源。?
2 迭代變換?
??? 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輪次相同的迭代運(yùn)算。輸入的64位明文先執(zhí)行初始置換對(duì)明文進(jìn)行換位處理；然后通過子密鑰k1～k16對(duì)明文進(jìn)行16輪乘積變換，即進(jìn)行16次迭代處理；最后經(jīng)過逆初始置換的處理，得到64位的密文輸出。16次迭代的目的是使明文增加混亂性和擴(kuò)散性，避免輸出密文殘留統(tǒng)計(jì)規(guī)律，使破譯者無法反向推算出密鑰。?
??? 輪迭代運(yùn)算中的f函數(shù)是非線性的，它是每輪實(shí)現(xiàn)混亂和擴(kuò)散的最關(guān)鍵的模塊，也是整個(gè)加密算法的核心，它包括E盒擴(kuò)展置換、S盒置換和P盒置換，其基本過程如圖3[4]所示。其中，E盒擴(kuò)展置換、P盒置換的原理和實(shí)現(xiàn)方法與初始置換以及逆初始置換類似，運(yùn)算過程都是線性的，而S盒是一個(gè)復(fù)雜的非線性函數(shù)，正是經(jīng)過了S盒的非線性變換，才使算法達(dá)到很好的“混亂”效果，從而具有較強(qiáng)的安全性。因此，S盒的設(shè)計(jì)是DES算法的關(guān)鍵部分，S盒設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將影響整個(gè)算法的性能。?
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??? 基于S盒的表現(xiàn)形式是矩陣形式，因此在使用VHDL語言建立Ｓ盒模型時(shí)，一般都會(huì)想到直接用多重選擇CASE語句[5]。在這里即采用CASE語句實(shí)現(xiàn)。用CASE選擇語句實(shí)現(xiàn)S盒有兩種方式：一種是直接使用S盒的6位輸入為6個(gè)變量的CASE語句方式，另一種方式是使用雙重CASE嵌套語句，即外層使用2個(gè)輸入控制S盒的橫向選擇；內(nèi)層使用4個(gè)輸入控制S盒的縱向選擇。采用雙重CASE語句可以直接定位輸出結(jié)果。這兩種方式下占用資源的情況如表1所示。?
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??? 根據(jù)表1比較的結(jié)果可以看出，選擇雙重CASE語句建立S盒模型可以大大節(jié)省資源,其仿真結(jié)果如圖4所示。s0為S盒的輸入，s2為S盒的輸出，這樣就完成了非線性的變換。圖5為通過Quartus II實(shí)現(xiàn)的基于FPGA的DES加密算法的硬件仿真線路圖。?
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??? 本文通過對(duì)各個(gè)模塊特別是S盒與子密鑰生成模塊的詳細(xì)分析，給出了DES加密的一種實(shí)現(xiàn)方法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)部分模塊進(jìn)行了驗(yàn)證仿真，給出了硬件仿真線路圖。這種設(shè)計(jì)方法是根據(jù)功能模塊分層進(jìn)行的，因此可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，減少設(shè)計(jì)輸入的錯(cuò)誤，簡(jiǎn)化驗(yàn)證的過程。?
參考文獻(xiàn)?
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[4] 張福泰．密碼學(xué)教程[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2006．?
[5] 李永彬，雷 菁．DES加密算法的高速FPGA實(shí)現(xiàn)[J]．電子工程師，2005,(7)：39-40．