随着社会的进步，人们生活水平的提高，隐私保密显得越来越重要；在商业和军用军用领域，信息的保密性同样至关重要，这在一定程度上推动了密码学的发展。随着密码学技术的飞速发展，软件加密已经非常流行，但由于硬件加密的稳定性和兼容性更好而且速度更快，所以仍是商业和军事用途的主要选择。而FPGA在实现算法方面具有灵活性、物理安全性和比软件更高的速度性能，已成为硬件实现加密算法的选择。
数据加密标准DES(Data Encryption Standard)是迄今为止世界上为广泛使用的一种分组密码算法。本文提出了一种密钥可配置的DES算法的FPGA实现方案：即在传统DES算法的基础上，采取密钥可配置的方法，增加密钥复杂度，加强密钥保护，利用初始密钥选择的随机性，增强算法抗攻击能力，通过选择多种密钥产生方法，进行DES加密。因此,即便知道了密文和密钥，由于不知道采取何种密钥产生方式，仍然难以攻破。
1 加密算法理论
1.1 DES算法原理
数据加密标准DES算法是用于计算机数据加密保护的分组加密的数学算法，算法以64 bit为一个分组对数据进行加密。使用64 bit的密钥加密64 bit分组的信息。首先将原始数据64 bit明文进行初始置换IP，然后与子密钥(由加密密钥产生)进行一系列迭代运算，再经过逆置换IP-1，即可得到64 bit密文(加密后数据)。在每一轮中，数列块的右边32 bit数据和密钥(Key)一起传送给函数f，函数f运算的结果再与数列块左边32 bit数据进行“异或”操作。其中S盒(S选择函数)是DES算法的心脏，由它实现非线性变换。
解密过程与此类似,只是在应用子密钥时，顺序颠倒为k16,k15,…k2,k1。DES加密原理。可以看到轮密钥产生器相对于DES算法是独立运算的，这就为密钥的配置提供了可能和便利。
因为该算法是公开的,因此64 bit的密钥算法是极其重要的，因为它是导致由64 bit的明文到64 bit密文集合的密码运算。故DES的加密安全依赖于对密码的保护。
1.2 线性反馈移位寄存器
因为接下来的算法有用到线性反馈移位寄存器，所以先来看下什么是线性反馈移位寄存器。要理解什么是线性反馈移位寄存器，要先来看下什么是反馈移位寄存器。ai表示二值（0，1）存储单元，ai的个数n成为反馈移位寄存器的级。在某一时刻，这些级构成该反馈移位寄存器的一个状态，共有2n个可能状态，每一个状态对应于域GF（2）上的一个n维向量，用（a1,a2,a3,…an）表示。在主时钟周期的周期区间上，每存储器ai都将内容向下ai-1传递，并根据寄存器的当前状态f（a1,a2,a3,…an）作为an的下一时间内容，即从一个状态转移到下一个状态。其中函数f（a1,a2,a3,…an）称为该反馈移位寄存器的反馈函数。有了反馈移位寄存器的概念后，接下来可以来看下什么是线性反馈移位寄存器。如果反馈函数f（a1,a2,a3,…an）是a1,a2,a3,…an 的线性函数函数，则该反馈移位寄存器是线性反馈移位寄存器用LFSR表示，比如：f（a1,a2,a3,…an）=kna1⊕kn-1a2⊕….⊕k2an-1⊕k1an,其中系数ki∈{0，1}（i=1,2,3,…,n）。相应的如果反馈函数f（a1,a2,a3,…an）是a1,a2,a3,…an 的非线性函数函数，则该反馈移位寄存器是非线性反馈移位寄存器。
线性反馈移位寄存器LFSR(Linear Feedback Shift Register)是一种非常成熟的序列生成方法，已被广泛地应用于密码技术、通信技术等方面。
若反馈函数为线性函数f(a1,a2,…an)=c1a1
c2a2…cnan，则称为线性反馈移位寄存器(LFSR)。其中,a1,a2,…an为二值(0,1)存储单元，这n个二值存储单元称为该反馈移位寄存器的级。任一时刻，这些级的内容构成反馈移位寄存器的状态，每个状态可以用n长序列(a1,a2,…an)来表示，对应1个GF(2)域上的n维向量。反馈函数f(a1,a2,…an)是n元布尔函数。在时钟脉冲的控制下，每经过1个时刻，每存储器ai都要将自己存储的内容向下ai-1传递，反馈函数由存储器当前状态计算出an下一时刻的内容。
由于线性反馈移位寄存器易于构造且易于应用软件和数字硬件实现，所以密码设计者常用它来构造序列密码。本文采用线性反馈移位寄存器作为对初始密钥的一种配置。
1.3 混沌密码
混沌系统的理论基础是混沌理论，混沌理论（Chaos theory）是一种兼具质性思考与量化分析的方法，用以探讨动态系统中（如：人口移动、化学反应、气象变化、社会行为等）无法用单一的数据关系，而必须用整体、连续的数据关系才能加以解释及预测之行为。由于混沌系统具有的宽频谱、类随机特性、对结构参数及初始状态的极端敏感性等性质，日益成为密码学的重要分支。混沌密码在硬件实现时，应该在尽量提高、逼近混沌特性的同时，提高运算速度，满足工程中实时处理的要求。而一维Logistic映射从数学形式上来看是一个非常简单的混沌映射，但此系统具有极其复杂的动力学行为，在保密通信领域的应用十分广泛[2]。因此本设计就采用了Logistic映射对密钥进行混淆。
Logistic映射是混沌模型中的一种，它是一个离散混沌系统，表达式为：xn+1=u×xn×(1-xn),(n=1,2,
)，其中初始值x0∈(0,1)。混沌动力系统的研究指出,当3≤u≤4时，Logistic映射由出现倍分岔现象逐步趋于混沌状态[3],即由初始条件在Logistic映射的作用下所产生的{xn,n=0,1,2,)是非周期、不收敛的，且对初始值非常敏感的混沌序列。当u=4时，表达式为：xn+1=4×xn×(1-xn), 此时构成的动态系统在连续域上是混沌的,x0取(0,1)内的值。
2 FPGA上的算法实现
采用基于SRAM技术的FPGA设计的电路虽然不具有保密性，但是基于Kerckhoff原则--“所有算法都是公开的，只有密钥是保密的”，所实现算法的硬件电路是可行且安全的。为了增强DES算法的安全性，本文提出了对密钥进行动态配置来改进DES算法，利用线性反馈移位寄存器和Logistic映射增加初始密钥的复杂度。具体配置方法为：根据控制信号，将输入的64 bit密钥进行配置，既可以直接将初始密钥引入，参与DES加密算法，又可以经过线性反馈移位寄存器，得到新的密钥流参与DES加密算法，还可以经过混沌加密进一步增强DES算法的密钥安全性。
2.1 密钥流生成器的选取
本设计中，选取线性反馈移位寄存器和混沌序列作为密钥流生成器。由于N级线性反馈移位寄存器输出的序列是周期性的，非常适合硬件实现，且周期为2n-1，为了产生64 bit的密钥序列,设计5级移位寄存器(周期为31)，其状态关系为：
这样无需等64个时钟周期，只需31个周期就可以得到64 bit的密钥。为了从混沌序列中获得每轮64 bit的轮密钥,需要对产生的混沌序列进行有限的二进制编码，即把混沌序列中的每一项与一个定长的二进制编码相对应。当u=4时，量化后的表达式为：
初始值x0为(0,2n-1)之间的整数，取n=16 bit，使用映射函数把4个连续的序列项映射成1个轮密钥,即rkey={key1,key2,key3,key4}。这样产生的轮密钥既有随机性又有独立性。
2.2 硬件实现结构
传统的DES算法主要有2组输入信号：明文datain[63:0]、密钥keyin[63:0]；2组输出信号：密文dataout[63:0]以及有效信号dataout_en。为了实现对密钥的配置,增加了密钥选择输入信号key_sel[1:0]：当取00或者11时，直接将密钥keyin送至DES模块中的密钥产生模块；当取01时，将密钥keyin先送至线形反馈移位寄存器中生成新的序列密码作为新的密钥送至密钥产生模块中；当keyin取10时，将密钥keyin先送至混沌加密模块中生成新的混沌序列作为新的密钥参与后续的加密运算。这2个模块不可能同时工作，当其中1个工作时，另1个关闭时钟。采取关闭时钟法选择对应的加密算法，既能简化电路，减少控制信号，减少门的翻转次数，又能降低芯片集成度，进而达到降低功耗的目的。
目前常用的FPGA/CPLD设计思想与技巧有四种，分别是乒乓操作、串并转换设计技巧、流水线操作设计思想、数据接口的同步方法。乒乓操作具有如下的有点：1）：乒乓操作的特点是通过“输入数据选择单元”和“输出数据选择单元”按节拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流没有停顿地送到“数据流运算处理模块”进行运算与处理。2）：乒乓操作的第二个优点是可以节约缓冲区空间。比如在WCDMA基带应用中，1个帧是由15个时隙组成的，有时需要将1整帧的数据延时一个时隙后处理，比较直接的办法是将这帧数据缓存起来，然后延时1个时隙进行处理。这时缓冲区的长度是1整帧数据长，假设数据速率是3.84Mbps，1帧长10ms，则此时需要缓冲区长度是38400位。如果采用乒乓操作，只需定义两个能缓冲1个时隙数据的RAM(单口RAM即可)。3）：另外，巧妙运用乒乓操作还可以达到用低速模块处理高速数据流的效果。基于此，同时为了有效地控制密钥生成模块的工作，降低系统功耗，本设计采用了FPGA设计中的乒乓操作技巧，具体操作为：对线性反馈移位寄存器(LFSR)和混沌加密模块（logistic）分别使用独立的时钟信号clk_lf、clk_lo，而不使用系统时钟clk。通过密钥选择输入信号key_sel的取值不同，使clk_lf和clk_lo的值分别等于0或是系统时钟clk。
DES加密算法作为本设计中的算法，以多轮的密钥变换轮函数、密钥和数据运算轮函数为特征，相应的硬件实现方法有2种：一种是通过轮函数的16份硬件拷贝，达到深度细化的流水线处理，实现性能；另一种是通过分时复用，重复调用1份轮函数的硬件拷贝，以时间换空间，从而得到硬件资源占用的化。
本设计采取的是资源优先方案：即仅用硬件实现一套密钥变换和密钥加数据运算轮函数，通过反复16次调用这一硬件结构来实现1次DES加密运算。这样可以大大减少了硬件开销，但芯片的性能有所降低。因此，又采取在轮函数内部设置流水线来提高整体处理的速度。在硬件上实现数据加密钥轮函数和密钥变换函数的同步流水线架构，减少了相邻流水线级间的逻辑复杂度，通过设置轮计数器对所进行的轮运算计数，控制数据选择器，从而实现轮函数复用。
3 仿真及验证
本文所有算法均采用Verilog HDL实现,并在Modelsim仿真环境下，编写了测试激励，进行RTL级功能仿真。此时key_sel和arith_sel输入为1时，密钥流采取了混沌加密，算法采用了DES算法，输入明文为：636F6D7075746572，密钥数据为7365637572697479，经过组合加密后得到的密文为49D28E37281FFFB2。
行为级仿真通过后，又采用了FPGA专用综合工具Synplify对算法进行了综合。结果表明：该组合加密模块耗费3056 LE，该模块到Virtex-II芯片中,工作频率可达50 MHz。由于本设计采用16级流水总线设计，所以数据编码/解码速率可达3 Gb/s。综合完成后，又使用XILINX的ISE软件进行布局布线，并提取了网表和延时文件，在Modelsim后仿其环境中进行了时序后仿真，结果完全符合时序要求，达到了设计目的。
加密数据的安全不仅依赖于加密算法的保密，更依赖于加密密钥的安全。本文通过对整个加密算法的分析,提出了较为合理的密钥动态配置的DES加密算法的设计方法和实现途径，并在FPGA平台上进行了测试和验证，数据的连续加/解密传输达到了预先的设计要求。这种实现方法整体处理速度高,相邻流水线级间的逻辑复杂程度低,程序对编译器的依赖性少,提高了算法的整体性能。通过适当改进,可以设计出通用型芯片，实现对通信数据的实时、可靠加密传输，在通信、军事、加密等领域有着广泛的应用前景。
免责声明: 凡注明来源本网的所有作品，均为本网合法拥有版权或有权使用的作品，欢迎转载，注明出处。非本网作品均来自互联网，转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
