用CPLD實(shí)現(xiàn)Gollmann密鑰流發(fā)生器

作者：■ 重慶郵電學(xué)院吳畏陳廣輝張高峰時(shí)間：2005-03-04 來源：電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2004年第12期

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摘要：本文根據(jù)Gollmann密鑰流發(fā)生器的原理和偽隨機(jī)序列產(chǎn)生的程序，利用VHDL語(yǔ)言和CPLD，設(shè)計(jì)出Gollmann密鑰流發(fā)生器。該發(fā)生器滿足一般的加密要求，可以保護(hù)信息傳輸?shù)陌踩?br/>關(guān)鍵詞：Gollmann ；VHDL ；CPLD；偽隨機(jī)序列

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/4532.htm

引言
對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密的方法可分為兩大類：軟加密和硬加密。其中硬加密具有加密強(qiáng)度大、可靠性高等特點(diǎn)。本文根據(jù)流密碼發(fā)生器原理，用CPLD設(shè)計(jì)出了Gollmann流密碼發(fā)生器。

原理
密碼安全的偽隨機(jī)序列發(fā)生器用于流密碼時(shí)十分理想，這些發(fā)生器的輸出與真正隨機(jī)的位發(fā)生器難以區(qū)分，只需將發(fā)生器的輸出與明文流異或就可以得到良好的流密碼。
Gollmann流密碼發(fā)生器由一串LFSR(線性反饋移位寄存器)構(gòu)成，每個(gè)LFSR的時(shí)鐘由前一個(gè)LFSR控制，如果t-1時(shí)刻LFSR-1的輸出為1，則LFSR-2在t時(shí)刻階躍；如果t-1時(shí)刻LFSR-2的輸出為1，則LFSR-3在t時(shí)刻階躍，以此類推，最后一個(gè)LFSR的輸出為發(fā)生器的輸出。如果所有LFSR的長(zhǎng)度都為l，則n個(gè)LFSR構(gòu)成的系統(tǒng)的線性復(fù)雜度為：
l*(2l-1) n-1

流密碼發(fā)生器的設(shè)計(jì)
根據(jù)Gollmann流密碼發(fā)生器的原理設(shè)計(jì)的發(fā)生器的原理框圖可用MAX+plusII的電路圖方式表示，如圖1所示。
在Gollmann流密碼發(fā)生器中，LFSR是其重要的組成部分。本文只采用了3級(jí)LFSR，其中LFSR長(zhǎng)度為4比特，其生成多項(xiàng)式為x4+x1+1；LFSR16長(zhǎng)度為16比特，其生成多項(xiàng)式為x16+x5+x3+x2+1；LFSR32長(zhǎng)度為32比特，其生成多項(xiàng)式為x32+x7+x6+x2+1。
其中LFSR的VHDL程序描述如下：
entity lfsr is
port(clk,en:in std_logic;
  data:out std_logic);
end entity;
architecture bev of lfsr is
signal sh:std_logic_vector(0 to 3);
begin
process(clk,en)
begin
if en='0' then
  sh<="1111";
elsif clk='1' and clk'event then
         sh(3)<= sh(3) xor sh(0) ;
  for i in 1 to 3 loop
  sh(i-1)<=sh(i);
  end loop;
  data<=sh(0);
end if;
end process;
end bev;
Gollmann流密碼發(fā)生器的工作流程為：在初始時(shí)刻，使能信號(hào)en為1時(shí)將所有LFSR中的寄存器賦值為1。隨著時(shí)鐘clk下降沿的到來，將第一個(gè)LFSR的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)1異或，再將其結(jié)果和clk進(jìn)行與運(yùn)算作為第二個(gè)LFSR的輸入，同時(shí)該異或結(jié)果還將和第二個(gè)LFSR的輸出進(jìn)行異或。異或后的結(jié)果既同clk做與運(yùn)算后作為第三個(gè)LFSR的輸入，同時(shí)又與第三個(gè)LFSR的輸出做異或運(yùn)算。第三次異或后的結(jié)果即為Gollmann流密碼發(fā)生器的輸出結(jié)果。
本文選用Altera公司的MAX+plus II 10 Baseline對(duì)VHDL源程序編譯，這個(gè)工具支持VHDL的編譯和仿真。對(duì)Gollmann流密碼生成器的程序進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。
圖2中en為使能信號(hào)，clk為50MHz的時(shí)鐘信號(hào)，dataout為輸出信號(hào)。Lfsr32sh，lfsr16sh，lfsrsh為各個(gè)LFSR寄存器值的變化過程。
在所有LFSR初始值都為1時(shí)(初始值不同，輸出的結(jié)果就有所不同)，Gollmann流密碼生成器所產(chǎn)生的輸出類似于隨機(jī)序列，如圖2中dataout所示，可以滿足一般的加密要求。