基于FPGA的DES、3DES硬件加密技術

傳統的加密工作是通過在主機上運行加密軟件實現的。這種方法除占用主機資源外，運算速度較慢，安全性也較差。而硬件加密是通過專用加密芯片、FPGA芯片或獨立的處理芯片等實現密碼運算。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。

設計思路
本設計首先用硬件描述語言（VHDL）進行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來具體實現。采用FPGA設計靈活，可對芯片內部單元進行配置，可以縮短設計周期和開發(fā)時間，同時經過優(yōu)化可以達到較高的性能。另外有多種EDA開發(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開發(fā)軟件。

系統的硬件結構
整個系統由FPGA、DSP、時鐘電路、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。系統的工作過程是這樣的：在DSP的控制下，主機中待加密的明文數據通過PCI總線傳送到FPGA的RAM區(qū)，然后啟動控制模塊的狀態(tài)機，把明文送入DES模塊或3DES模塊進行相應的加密運算。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，RAM總量為608Kb。

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

圖2 DES核

DES核的引腳功能如下。
clk：時鐘輸入端，本設計時鐘源為50MHz晶振；
reset：復位端，低電平有效；
encrypt：加密、解密選擇端，高電平進行加密操作，低電平進行解密操作；
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為高時說明正在進行算法轉換，為低時可以輸入數據。

用DES核構成的3DES模塊，將其移植到Quartus II 7.2里，通過編程實現對此模塊的控制，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，下面以加密過程為例，說明具體的實現過程。

圖3 控制模塊的狀態(tài)機

系統復位后FPGA進入空閑狀態(tài)（3DES_IDLE），當算法選擇信號chooes=’1’時選擇3DES算法；開始信號start=’1’時，狀態(tài)機進入寫密鑰狀態(tài)（3DES_KEY）；在寫密鑰狀態(tài)FPGA將內部RAM區(qū)存儲的112位密鑰寫入3DES模塊，寫完后判斷busy信號，當busy=’0’時進入寫數據狀態(tài)（3DES_DATA）；在此狀態(tài)，RAM中的一個待加密的明文分組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入下一狀態(tài)（3DES_RDDATA），將加密后的密文寫回到RAM區(qū)，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’時重復3DES_DATA狀態(tài)，加密下一個明文分組，直到處理完所有的明文數據，狀態(tài)機才進入3DES_DONE狀態(tài)，從而完成了整個加密過程。解密的過程同加密過程一樣，通過邏輯加以區(qū)分。

DES模塊的設計
DES模塊采用4個DES核并行處理數據的流水線設計方法。其狀態(tài)機同3DES類似，所不同的是在寫密鑰狀態(tài)向DES模塊寫入56位密鑰，在寫數據狀態(tài)向DES模塊寫入256位數據，每個DES核處理64位數據，其中第一個DES核處理數據的0～63bit，第二個DES核處理64～127bit，依次類推。操作完成后DES模塊將256位的密文或明文再傳入到RAM里。采用流水線設計可以使4個DES核并行工作，大大提高了加解密速度。

方案的驗證及性能
調試的過程中用到SignalTap，SignalTap宏功能是一種嵌入式邏輯分析器，能夠在器件的特定觸發(fā)點捕獲數據并保存到FPGA的嵌入式系統塊中。這些數據被送到JTAG接口，通過ByteBlaster II 下載電纜上傳到quartus II波形編輯器中進行顯示。圖4為在調試過程中用SignalTap捕捉到的3DES運算的時序，平均18個時鐘周期處理完一個數據分組（64bit）。圖5為DES運算的時序，平均36個時鐘周期處理完一個數據分組（256bit）。
最終調試DES、3DES算法加解密成功后，將Quartus II 7.2編譯生成的編程文件通過下載電纜ByteBlaster II下載到我們的試驗板卡上。在Windows XP的系統下，用VC的環(huán)境編寫出了測試程序和驅動程序，最終測得DES加解密的速度是：230Mb/s；3DES加解密的速度是：120Mb/s。

圖4 3DES時序波形圖

圖5 DES時序波形圖

注意事項
用SignalTap進行調試的過程中，要使采樣頻率大于被測信號的最高頻率，否則無法正確反映被測信號的波形變化。由于系統的輸入最高頻率為50MHz，為了調試正確，利用了FPGA的鎖相環(huán)對輸入時鐘進行倍頻，從而用100MHz的信號作為采樣頻率。另外需要設置合適的觸發(fā)點及采樣深度。

系統優(yōu)缺點分析及改進方法
優(yōu)點：設計過程中采用了狀態(tài)機和流水線技術，提高了數據的加解密速度；另外采用FPGA使得設計比較靈活，各模塊均用了硬件描述語言編碼實現。

不足之處：DES曾被人利用網絡計算采用窮舉攻擊的方法破解過，目前也已經設計出采用窮舉攻擊在4小時內破解DES的機器。DES本身雖已不再安全，但在數據對安全性要求不高的場合仍然廣泛使用著，其改進算法3DES的安全性還是相當強的。

系統改進方法：在要求安全性高的場合，可以采用安全性更高的算法（如AES等）來替換DES。