基于FPGA的DES、3DES硬件加密技術(shù)

傳統的加密工作是通過(guò)在主機上運行加密軟件實(shí)現的。這種方法除占用主機資源外，運算速度較慢，安全性也較差。而硬件加密是通過(guò)專(zhuān)用加密芯片、FPGA芯片或獨立的處理芯片等實(shí)現密碼運算。相對于軟件加密，硬件加密具有加密速度快、占用計算機資源少、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

設計思路
本設計首先用硬件描述語(yǔ)言（VHDL）進(jìn)行DES（數據加密標準）、3DES（三重DES）算法編碼和系統設計，然后采用FPGA來(lái)具體實(shí)現。采用FPGA設計靈活，可對芯片內部單元進(jìn)行配置，可以縮短設計周期和開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以達到較高的性能。另外有多種EDA開(kāi)發(fā)軟件支持FPGA的設計，在本設計中采用了EDA綜合工具Synplify和Altera公司的Quartus II 7.2開(kāi)發(fā)軟件。

系統的硬件結構
整個(gè)系統由FPGA、DSP、時(shí)鐘電路、電源電路等部分組成，如圖1所示。FPGA是系統的核心器件。DSP作為控制單元，控制數據的傳輸。系統的工作過(guò)程是這樣的：在DSP的控制下，主機中待加密的明文數據通過(guò)PCI總線(xiàn)傳送到FPGA的RAM區，然后啟動(dòng)控制模塊的狀態(tài)機，把明文送入DES模塊或3DES模塊進(jìn)行相應的加密運算。運算的結果（密文）再返回到主機中。FPGA自帶的JTAG接口用來(lái)連接下載電纜到主機的并口，便于用邏輯分析議對系統調試。EPCS4是FPGA的配置芯片，用來(lái)存儲程序。由于系統掉電后FPGA內的程序將丟失，所以每次上電后FPGA首先從EPCS4里讀取相應的配置信息。

圖1 系統結構框圖

考慮到本設計中FPGA的RAM容量不能太小，以便存儲較多的數據；另外用戶(hù)I/O引腳數量應有一定的富裕。最終選擇了Altera公司Cyclone III系列的EP3C25F256C8。其I/O引腳數是156個(gè)，RAM總量為608Kb。

3DES模塊的設計
采用VHDL編程實(shí)現DES算法后，通過(guò)Synplify生成一個(gè)基本的模塊——DES核（如圖2所示）。

圖2 DES核

DES核的引腳功能如下。
clk：時(shí)鐘輸入端，本設計時(shí)鐘源為50MHz晶振；
reset：復位端，低電平有效；
encrypt：加密、解密選擇端，高電平進(jìn)行加密操作，低電平進(jìn)行解密操作；
din[63..0]：數據輸入端；
din_valid：數據輸入有效端；
key_in[55..0]：密鑰輸入端；
dout[63..0]：數據輸出端：
dout_valid：數據輸出有效端；
busy：忙信號標志端，當busy為高時(shí)說(shuō)明正在進(jìn)行算法轉換，為低時(shí)可以輸入數據。

用DES核構成的3DES模塊，將其移植到Quartus II 7.2里，通過(guò)編程實(shí)現對此模塊的控制，設計中用到了狀態(tài)機。狀態(tài)機是組合邏輯和寄存器邏輯的特殊組合，尤其適合于數字系統的控制設計，系統的狀態(tài)在一定的條件下相互轉移。狀態(tài)機的轉移圖如圖3所示，下面以加密過(guò)程為例，說(shuō)明具體的實(shí)現過(guò)程。

圖3 控制模塊的狀態(tài)機

系統復位后FPGA進(jìn)入空閑狀態(tài)（3DES_IDLE），當算法選擇信號chooes=’1’時(shí)選擇3DES算法；開(kāi)始信號start=’1’時(shí)，狀態(tài)機進(jìn)入寫(xiě)密鑰狀態(tài)（3DES_KEY）；在寫(xiě)密鑰狀態(tài)FPGA將內部RAM區存儲的112位密鑰寫(xiě)入3DES模塊，寫(xiě)完后判斷busy信號，當busy=’0’時(shí)進(jìn)入寫(xiě)數據狀態(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模塊將此數據進(jìn)行加密，完成后dout_valid信號變?yōu)楦唠娖?。狀態(tài)機檢測到此信號變高后進(jìn)入下一狀態(tài)（3DES_RDDATA），將加密后的密文寫(xiě)回到RAM區，之后判斷是否處理完了所有的明文分組，如果未處理完，當busy=’0’時(shí)重復3DES_DATA狀態(tài)，加密下一個(gè)明文分組，直到處理完所有的明文數據，狀態(tài)機才進(jìn)入3DES_DONE狀態(tài)，從而完成了整個(gè)加密過(guò)程。解密的過(guò)程同加密過(guò)程一樣，通過(guò)邏輯加以區分。

DES模塊的設計
DES模塊采用4個(gè)DES核并行處理數據的流水線(xiàn)設計方法。其狀態(tài)機同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)數據狀態(tài)向DES模塊寫(xiě)入256位數據，每個(gè)DES核處理64位數據，其中第一個(gè)DES核處理數據的0～63bit，第二個(gè)DES核處理64～127bit，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。采用流水線(xiàn)設計可以使4個(gè)DES核并行工作，大大提高了加解密速度。