基于FPGA的DES加密算法的高性能實(shí)現(xiàn)
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DES算法每一輪次迭代都需要一個子密鑰，采用流水線實(shí)現(xiàn)DES算法，就需要提前生成子密鑰，隨流水線進(jìn)程發(fā)送給各個模塊。輸入密鑰分別經(jīng)置換選擇1、第n輪的循環(huán)左移和置換選擇2這3個步驟后得到第n輪的子密鑰。如果用VHDL按照每一輪次循環(huán)移位的位數(shù)一步步得到16輪次迭代的子密鑰，那么16輪次子密鑰的生成需要做56x28次移位運(yùn)算，同時需要56個寄存器存放每一輪子密鑰的中間結(jié)果，這樣不僅語言描述復(fù)雜，占有較多的硬件資源，而且每輪次密鑰移位次數(shù)不同，需要的運(yùn)算時間不同，會給算法的迭代運(yùn)算帶來更大的等待延遲。因此，通過分析得到生成每一輪子密鑰時，相對輸入密鑰所需移位的數(shù)目，直接將各個子密鑰提前生成。這樣不僅降低了資源消耗，提高算法的執(zhí)行速度，也消除了各個圈子密鑰之問的相關(guān)性。
3．3 S盒的設(shè)計
S盒的設(shè)計是DES算法關(guān)鍵部分，S盒設(shè)計的優(yōu)劣將影響整個算法性能。在采用FPGA實(shí)現(xiàn)時，應(yīng)從資源和速度的角度出發(fā)，有效利用FPGA可配置屬性，充分考慮器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，盡可能使兩者都達(dá)到最優(yōu)。S盒是一個4x16的二維數(shù)組，根據(jù)輸入的6位地址數(shù)據(jù)確定輸出，中間4位數(shù)據(jù)確定列，兩邊2位確定行，所產(chǎn)生的行列數(shù)據(jù)對應(yīng)的地址空間中存放的就是輸出的4位數(shù)據(jù)。為了利用FPGA內(nèi)部的4輸入查找表結(jié)構(gòu)，可重新設(shè)計S盒的邏輯描述，即先固定2個變量，而使另外4個變量發(fā)生變化。實(shí)現(xiàn)時使用雙重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。形成一個6輸入、4輸出的查找表。這樣就可以充分利用FPGA的內(nèi)部資源，提高綜合效率，加快算法執(zhí)行速度。
3．4 子密鑰延遲控制
圖3中的子密鑰延遲控制單元可完成子密鑰的延遲控制，它由一系列寄存器構(gòu)成。通過時鐘觸發(fā)數(shù)據(jù)塊依次向下傳輸給各級流水線，子密鑰依次存入下一級寄存器，在相應(yīng)數(shù)據(jù)塊加密時從寄存器讀取，便實(shí)現(xiàn)16個不同數(shù)據(jù)塊同時加密。在新更換密鑰時，各個子密鑰分別存入寄存器(i，1)，隨時鐘觸發(fā)依次在流水線寄存器中流動，以前在流水線上繼續(xù)使用的子密鑰也同時在流水線寄存器中隨數(shù)據(jù)塊流動，通過合理使用寄存器，完成數(shù)據(jù)塊和子密鑰的同步，準(zhǔn)確快速分發(fā)子密鑰，實(shí)現(xiàn)密鑰的動態(tài)更換。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/188686.htm
4 仿真結(jié)果
采用VHDL作為設(shè)計邏輯描述．以O(shè)uartusⅡ作為設(shè)計開發(fā)工具，以Ahera公司Cyclone EPlCl2F324C6為目標(biāo)器件，邏輯綜合結(jié)果表明系統(tǒng)共占用4 368個邏輯單元(LE)，系統(tǒng)的最高時鐘頻率為222．77 MHz，對信息的加密速度為222．77x64 Mb／s=14．26 Gb／s。由表1給出的DES算法有關(guān)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)性能對比結(jié)果表明，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密速度是最快的，是軟件實(shí)現(xiàn)的112倍．同時其資源消耗指標(biāo)也較理想。
假設(shè)需要加密的明文M=0123456789ABCDEF H，密鑰K=133457799BBCDFFl H，經(jīng)過初始置換，16輪迭代加密，逆初始置換，最終的加密密文應(yīng)為：85E813540FOA8405H，其時序仿真結(jié)果如圖4所示，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)DES算法的流水加密功能。
5 結(jié)語
在分析DES算法原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了一個基于VHDL描述、FPGA實(shí)現(xiàn)的DES加密算法系統(tǒng)的設(shè)計和仿真結(jié)果。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)軟件加密系統(tǒng)相比，設(shè)計靈活，處理速度快，密鑰可動態(tài)刷新，抗解密強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，重用性強(qiáng)，升級方便。
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