基于FPGA的改進(jìn)DES算法的實現(xiàn)

此設(shè)計方案消除了子密鑰之間的相關(guān)性，便于子密鑰在迭代過程中動態(tài)分發(fā)。同時，簡化了子密鑰的產(chǎn)生，有效地節(jié)約了硬件資源。
2.2 單輪迭代運算模塊
DES算法是典型的迭代分組密碼算法，實現(xiàn)過程的核心是16輪次迭代運算。16輪迭代運算過程完全相同，只是輪迭代的輸入?yún)?shù)不同。迭代運算中的輪函數(shù)f是非線性的，它是每輪實現(xiàn)擴(kuò)散和混淆的關(guān)鍵。其中，E盒擴(kuò)展置換和P盒置換都是線性變換，而S盒代換部件是一個十分復(fù)雜的非線性函數(shù)，正是經(jīng)過它的非線性變換才使明文實現(xiàn)了較好的混亂，達(dá)到加解密的效果，從而具有較強(qiáng)的安全性。因此，S盒設(shè)計在整個DES算法中是非常關(guān)鍵的。
S盒的功能描述：如果用a1a2a3a4a5a6表示6 bit輸入，那么4 bit的輸出值可以通過查表得到,行的a1a6索引的表示與列的a2a3a4a5索引表示均為二進(jìn)制數(shù)。因此，建立S盒模型時，一般采用case語句來實現(xiàn)。用case多分支選擇語句實現(xiàn)S盒有兩種方法：(1)直接使用輸入為6變量,輸出為4變量的case語句對S盒描述,形成一個4 bit 64個存儲空間的表。此方法可讀性強(qiáng)，但8個S盒需要8×64個存儲空間，占用大量資源，綜合效率低，速度慢，不利于整個系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn); (2)由于S盒是一個4×16的二維數(shù)組，使用雙重case語句，外層使用2個變量，對應(yīng)S盒輸入的第1、6位。內(nèi)層使用4個變量，對應(yīng)S盒輸入的第2、3、4、5 位。采用雙重case語句可以直接定位輸出結(jié)果。該方案可充分利用FPGA的內(nèi)部資源，提高綜合效率，加快算法執(zhí)行速度。經(jīng)過綜合后，單個S盒的實現(xiàn)僅占用24個邏輯單元，相對于直接使用6個變量的case語句的實現(xiàn),占用資源約減少50%。
本文對單輪迭代運算進(jìn)行功能模塊設(shè)計，實現(xiàn)過程調(diào)用了密鑰生成模塊和S盒模塊。由于該設(shè)計的子密鑰是獨立產(chǎn)生的，彼此不相關(guān)，因此在一輪運算中，不需把子密鑰輸出作為下輪運算用來產(chǎn)生密鑰的輸入。子密鑰通過控制信號直接控制子密鑰生成模塊產(chǎn)生分發(fā)，在一輪運算中只參與與E擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)進(jìn)行“異或”運算,既節(jié)省了器件的管腳資源,又提高了算法的執(zhí)行效率。同樣,S盒在具體實例調(diào)用時，亦采用了此方法。單輪迭代變換仿真結(jié)果如圖4所示。圖中，ki_i為控制子密鑰動態(tài)分發(fā)的控制信號；L_i和R_i是第i輪非線性變換的輸入；R_i是經(jīng)過輪函數(shù)一系列運算生成的數(shù)據(jù)與輸入L_i“異或”，產(chǎn)生的結(jié)果作為輸出R_o；把R_i直接賦值給輸出L_o。

2.3 頂層模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
頂層模塊的功能就是調(diào)用單輪迭代運算模塊，實現(xiàn)16輪次循環(huán)迭代，完成DES算法的總體設(shè)計。采用組合邏輯設(shè)計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的初始置換IP、輪函數(shù)f、子密鑰的產(chǎn)生以及最后的逆初始置換IP-1。圖5所示為DES算法的最終設(shè)計工程文件生成的原理圖。

頂層模塊僅在數(shù)據(jù)裝載控制信號load為高電平時,接收外部數(shù)據(jù)din;發(fā)送控制信號ready為高電平時,輸出dout為有效數(shù)據(jù)。由于16輪迭代的每一輪運算都要用到上一輪的最后計算結(jié)果，并且每輪迭代都是調(diào)用單輪迭代運算模塊。因此，設(shè)計了算法執(zhí)行狀態(tài)指示位dt，用來協(xié)調(diào)控制整個DES算法的各輪迭代運算結(jié)果的反饋賦值。采用Altera公司的CycloneII系列的EP2C8Q208C8器件作為平臺，在Quartus II 8.0下對Verilog HDL代碼進(jìn)行綜合，然后布局布線對其進(jìn)行時序仿真，仿真結(jié)果完全符合時序要求，達(dá)到了設(shè)計目的。由表1給出的DES算法硬件實現(xiàn)性能對比結(jié)果表明，在資源使用和實現(xiàn)速度方面，本文算法實現(xiàn)方案都比較理想。DES系統(tǒng)的實現(xiàn)所占用的邏輯單元數(shù)僅為468,小于整個硬件資源的6%，可見設(shè)計資源得到了極大的優(yōu)化利用。
本文的創(chuàng)新點：在傳統(tǒng)硬件實現(xiàn)資源優(yōu)先方案的基礎(chǔ)上，采取在輪函數(shù)內(nèi)部設(shè)置流水線結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)的整體運行速度，既節(jié)省了硬件資源，又提高了系統(tǒng)的性能;簡化了子密鑰與外部密鑰的生成關(guān)系，消除了各個子密鑰之間的相關(guān)性，保證了在子密鑰和數(shù)據(jù)異或運算的輪函數(shù)實現(xiàn)時，子密鑰的動態(tài)分發(fā)。
通過對整個DES算法的詳細(xì)分析，提出了合理的分模塊設(shè)計思想，并采用Verilog硬件描述語言對算法進(jìn)行了驗證仿真。設(shè)計文件最終生成的原理圖可以完成DES算法的功能，對其進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，可以作為功能模塊嵌入到實際系統(tǒng)中，實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的實時、可靠傳輸，具有一定的實際應(yīng)用價值。
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