基于FPGA的加密算法改進(jìn)及實(shí)現(xiàn)

武 一，郭婷婷

(河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300401)

隨著專用虛擬網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，人們對(duì)于通信加密的要求也隨之增高。為解決這一問(wèn)題，通常采用數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(Data Encryption Standard，DES)和高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Encryption Standard，AES)來(lái)提高信息系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全性和保密性。目前研究表明，一些ASIC(專用集成電路)和FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)器件可成功實(shí)現(xiàn)DES和AES的多種硬件加密。其中，一部分研究側(cè)重于使用循環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)減小芯片的資源占用，另一部分則側(cè)重于使用流水線結(jié)構(gòu)來(lái)提高吞吐率。對(duì)于DES和AES加密算法來(lái)說(shuō)，要想達(dá)到一個(gè)高的吞吐率，在每一輪運(yùn)算中嵌入流水線寄存器是必要的［1］。然而，沒(méi)有相關(guān)的權(quán)衡，一味地嵌入流水線將增加邏輯運(yùn)算復(fù)雜度和硬件占用面積。因此，硬件資源的共享和復(fù)用以及邏輯門的壓縮是產(chǎn)生一個(gè)加密電路所不可缺少的條件。

1 數(shù)據(jù)加密

為了保護(hù)私有信息不被非法竊取，數(shù)據(jù)加密技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)據(jù)加密技術(shù)采用相關(guān)的加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行屏蔽，使其成為不可讀的代碼，只有指定的用戶或場(chǎng)合才能解除屏蔽而獲得數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，DES和AES加密算法被普遍用來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感的金融數(shù)據(jù)、政府信息和私人交易的加密［2］。

數(shù)據(jù)加密的實(shí)現(xiàn)方式通常分為軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)兩種。軟件實(shí)現(xiàn)方式在主機(jī)上運(yùn)行加密軟件，占用主機(jī)資源、處理速度慢、抗攻擊能力差［3］。而硬件實(shí)現(xiàn)方式，基于FPGA或ASIC器件的加密設(shè)計(jì)很難被非法攻破。因此，從本質(zhì)上說(shuō)，硬件加密具有更高的物理安全性。另外，硬件加密獨(dú)立于主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)算，資源占用少，滿足更高的實(shí)時(shí)性要求。

傳統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)主要采用ASIC，設(shè)計(jì)成本高、系統(tǒng)擴(kuò)展性差。FPGA器件以其硬件的安全性和高速性以及軟件的靈活性和易維護(hù)性，成為研究和實(shí)現(xiàn)加密算法的理想硬件平臺(tái)。采用FPGA實(shí)現(xiàn)的加解密系統(tǒng)可在保證加解密性能的同時(shí)提供更好的可擴(kuò)展性和通用性［4］。

文獻(xiàn)［1－3］介紹了DES加密算法的FPGA實(shí)現(xiàn)。這些研究中所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到Gbit/s級(jí)的吞吐率。其中最高的吞吐率可達(dá)到6 Gbit/s［2］。文獻(xiàn)［4－6］描述了AES算法的FPGA實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［4］中提出了提高吞吐率的可能性方案(不超過(guò)1 Gbit/s)，文獻(xiàn)［5］中已經(jīng)能達(dá)到7 Gbit/s的吞吐率。但這些研究工作都集中在吞吐率方面，沒(méi)有權(quán)衡相關(guān)的芯片資源占用。

因此，本文采用資源優(yōu)先的設(shè)計(jì)方案，在一片F(xiàn)PGA芯片上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了DES、AES加解密系統(tǒng)。通過(guò)分別對(duì)系統(tǒng)的輪函數(shù)及S盒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速率、低占用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 DES加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DES加密系統(tǒng)中，輸入的64位明文經(jīng)初始置換后，數(shù)據(jù)移位，明文塊被分成左右兩部分，各32位。其中左半部分依賴循環(huán)密鑰進(jìn)行邏輯運(yùn)算，右半部分不變，然后交換左右兩部分，并將此過(guò)程循環(huán)進(jìn)行16次。這個(gè)過(guò)程既包含替代又包含移位，數(shù)據(jù)和密鑰在這一階段被結(jié)合在一起。DES加密流程如圖1所示。

數(shù)據(jù)的安全性取決于密鑰的安全性設(shè)置。每一輪運(yùn)算的關(guān)鍵是初始密鑰的字節(jié)變換和由內(nèi)部密鑰產(chǎn)生器執(zhí)行的左移操作［5］。

內(nèi)部子密鑰產(chǎn)生器對(duì)輸入的64位的外部密鑰K進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，剔除奇偶校驗(yàn)位，再經(jīng)置換得到56位有效密鑰，將得到的密鑰分成兩部分，每部分28位，分別輸入到28位的寄存器C0、D0中。

圖1 加密系統(tǒng)流程圖

在內(nèi)部子密鑰產(chǎn)生器中，除寄存器(C0，D0)外，還有16 對(duì)寄存器，即(C1，D1)，(C2，D2)，…，(C16，D16)。C 和 D中的內(nèi)容分別向左移動(dòng)1至2位便可得到加密時(shí)的內(nèi)容，這種移位方式是按循環(huán)移位寄存器方式進(jìn)行的。在16輪左移操作中，第1、2、9、16輪密鑰位數(shù)只左移1位，其余輪密鑰左移2位，共計(jì)向左移動(dòng)了28位，這樣就保證了C16=C0，D16=D0，即(C16，D16)的內(nèi)容和(C0，D0)完全相同。

合并寄存器C1和D1中存儲(chǔ)的28位數(shù)據(jù)，形成56位密鑰，并依據(jù)壓縮置換確定48位的內(nèi)部子密鑰K。如圖2所示。

圖2 子密鑰產(chǎn)生框圖

加密過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)16輪的變換，才能得到最終密文。若輪函數(shù)采用硬件級(jí)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)方式，可得到較快的處理速度，但每個(gè)時(shí)鐘周期都要將數(shù)據(jù)存入寄存器，要占用很大的資源空間［6］。

考慮到FPGA的硬件資源有限，本設(shè)計(jì)提出重復(fù)調(diào)用一份輪函數(shù)的硬件拷貝，即僅用硬件實(shí)現(xiàn)一套密鑰變換和密鑰加數(shù)據(jù)運(yùn)算輪函數(shù)，通過(guò)反復(fù)16次調(diào)用這一硬件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)1次DES加密運(yùn)算。以時(shí)間換空間，達(dá)到硬件資源占用的最小化［7］。同時(shí)，為了兼顧芯片的處理速度，在輪函數(shù)內(nèi)部設(shè)置一級(jí)流水線來(lái)提高整體處理的速度。

在硬件上實(shí)現(xiàn)密鑰變換函數(shù)和密鑰加數(shù)據(jù)輪函數(shù)的同步流水線架構(gòu)，減少了相鄰流水線級(jí)間的邏輯復(fù)雜度［8］。通過(guò)設(shè)置輪計(jì)數(shù)器對(duì)所進(jìn)行的輪運(yùn)算計(jì)數(shù)，控制數(shù)據(jù)選擇器，從而實(shí)現(xiàn)輪函數(shù)復(fù)用。圖3為輪函數(shù)硬件結(jié)構(gòu)電路圖。

2.2 AES加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)

AES－128加密算法需要運(yùn)行10輪，在每一輪運(yùn)算中，字節(jié)變換是唯一的非線性變換。次變換使用S盒來(lái)獨(dú)立操作狀態(tài)矩陣中的每個(gè)字節(jié)。

設(shè)計(jì)一個(gè)合適的S盒能夠很大程度上減少AES硬件電路的復(fù)雜度和運(yùn)算量［9］。目前大多采用基于復(fù)合域變換的S盒實(shí)現(xiàn)方法。

具體操作是將域GF(28)上的元素取逆同構(gòu)線性變換為在GF(24)的取逆。GF(24)上的乘法取逆所消耗的資源相對(duì)較少，可降低資源消耗。不足是增大了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)的時(shí)延［10］。

為避免執(zhí)行同構(gòu)變換，本設(shè)計(jì)的S盒在GF(24)2上取乘法逆，原S盒的仿射函數(shù)不變。具體選擇GF(2)［x］上不可約的三項(xiàng)式x4+x+1定義GF(24)上的乘法，選擇子GF(24)上的二次不可約多項(xiàng)式x2+x+8定義GF(24)2上的乘法。然后對(duì)所定義的域GF(24)2乘法取逆，并且與AES算法S盒的仿射函數(shù)相復(fù)合生成新的S盒。

圖3 輪函數(shù)硬件結(jié)構(gòu)電路圖

實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:

1)設(shè)AES算法S盒的仿射函數(shù)是z=A×t+0x63，則z=t⊕(t＜＜1)⊕(t＜＜2)⊕(t＜＜3)⊕(t＜＜4)⊕0x63。

2)輸入:8 bit向量 y=(y7，y6，…，y0)。

輸出:8 bit向量 z=(z7，z6，…，z0)。

令 b=(y7，…，y0)，c=(y3，y2，…，y0)，將 y=(b，c)看作是域GF(24)2的元素bx+c，取逆:(bx+c)－1=b(b28+bc+c2)－1x+(c+b)(b28+bc+c2)－1;(b28+bc+c2)－1可通過(guò)查表完成。

3)設(shè)乘法取逆的結(jié)果是dx+e，將之用向量表示為t=(t7，t6，…，t0)，再計(jì)算:z=t⊕(t＜＜1)⊕(t＜＜2)⊕(t＜＜3)⊕(t＜＜4)⊕0x63，并輸出結(jié)果z=(z7，z6，…，z0)。

經(jīng)變形后的S盒仍滿足AES加密算法提出的設(shè)計(jì)要求，且由于不執(zhí)行同構(gòu)變換，邏輯電路門數(shù)減少，更易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

在加解密系統(tǒng)中，解密過(guò)程是加密過(guò)程的逆過(guò)程，每一輪包括逆字節(jié)變換ISB，逆行位移運(yùn)算ISR，和逆列混合運(yùn)算IMC。在首輪運(yùn)算開始之前，包括一次輪密鑰加運(yùn)算ARK，而最后一輪不包括逆列混合運(yùn)算IMC。加密和解密過(guò)程往往由兩個(gè)電路分開實(shí)現(xiàn)，這導(dǎo)致硬件資源損耗過(guò)大，且不利于加密和解密的同步優(yōu)化［11］。

為了彌補(bǔ)這兩個(gè)不足，在設(shè)計(jì)中，解密模塊將分別調(diào)用加密模塊的電路結(jié)構(gòu)，利用加密硬件資源的復(fù)用完成解密工作，減少硬件資源損耗［12］。另外，解密時(shí)先執(zhí)行非線性字節(jié)變換，有利于加解密的同步優(yōu)化。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:解密時(shí)，首先進(jìn)行數(shù)組矩陣的逆仿射變換，然后調(diào)用加密電路的字節(jié)變換部分，得到逆字節(jié)變換的輸出。輸出結(jié)果執(zhí)行逆行位移運(yùn)算的右移操作。右移后的矩陣乘以系數(shù)矩陣(0E，0B，0D，09)，并調(diào)用列混合模塊的電路結(jié)構(gòu)完成逆列混合運(yùn)算。

加密過(guò)程中，輪密鑰key0～key9由AES算法的密鑰擴(kuò)展基于原始密鑰計(jì)算產(chǎn)生。解密過(guò)程中，輪密鑰加運(yùn)算依次取輪密鑰key9～key0，除去首輪和最后一輪，從RAM中取出的輪密鑰需要先經(jīng)進(jìn)行逆列混合運(yùn)算［13］。加解密流程如圖4所示。

3 FPGA電路仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用FPGA開發(fā)平臺(tái)、Cyclone II系列芯片對(duì)加解密系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)輸入、密鑰輸入和狀態(tài)控制信號(hào)線，具有統(tǒng)一的外部時(shí)鐘控制［14］。

3.1 DES 加密的實(shí)現(xiàn)

在加密測(cè)試文件中:

desin:000000000000000

圖4 AES加/解密系統(tǒng)

key:0000000000000000

expout:8ca64de9c1b123a7

加密后:

desout:8ca64de9c1b123a7

由仿真圖(如圖5)可知:經(jīng)16個(gè)時(shí)鐘周期后，加密得到的最終輸出desout與理論值相同，證明加密成功。

圖5 DES加密仿真波形圖(截圖)

3.2 AES 加密的實(shí)現(xiàn)

在加密測(cè)試文件中:

key:00000000000000000000000000000000

plain:f34481ec3cc627bacd5dc3fb08f273e6

ciph:0336763e966d92595a567cc9ce537f5e

加密后:

test_out:0336763e966d92595a567cc9ce537f5e

同步解密后:

test_out2:f34481ec3cc627bacd5dc3fb08f273e6

由仿真圖(如圖6)可知:最終得到的密文與理論值相同，證明加密成功。同步解密后，還原了最初的明文，解密成功。

圖6 AES加密仿真波形圖(截圖)

4 結(jié)果分析

結(jié)果表明:DES系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)僅占用了629個(gè)LE，不到整個(gè)硬件資源的6%，處理速度為3.08 Gbit/s。

AES系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)占用了1 128個(gè)LE，占整個(gè)硬件資源的8%，處理速度達(dá)到了7.04 Gbit/s。

表1給出了本設(shè)計(jì)的具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2為本設(shè)計(jì)與一些同類設(shè)計(jì)的比較結(jié)果。

表2 本設(shè)計(jì)與一些同類設(shè)計(jì)的比較結(jié)果

由表1可知，在DES加密系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)比文獻(xiàn)［1－3］，文獻(xiàn)［2］中采用EP1S10芯片實(shí)現(xiàn)DES的硬件加密，占用了4 362個(gè)LE，加密速率為6 Gbit/s，是3個(gè)方案中相對(duì)最好的。而本設(shè)計(jì)選用EP2C35系列芯片，采用改進(jìn)的方法后，硬件資源占用629個(gè)LE，約為文獻(xiàn)［2］的0.144倍，且加密速度為3.08 Gbit/s，總體性能大大提高。

在 AES加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，文獻(xiàn)［5］采用 2塊XC2V3000芯片實(shí)現(xiàn)AES的硬件加密，占用了4 817個(gè)LE，加密速度為7.12 Gbit/s，與文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［6］相比，文獻(xiàn)［5］性能相對(duì)最佳。而本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)設(shè)備采用EP2C35系列芯片，硬件資源占用了1 128個(gè)LE，約為文獻(xiàn)［5］的0.234 倍，加密速度為7.04 Gbit/s，與文獻(xiàn)［5］基本持平。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高性能的DES和AES硬件加密系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)能夠節(jié)省90%的硬件存儲(chǔ)資源，同時(shí)具有相同的抗攻擊能力來(lái)保證新一代的IT安全。本設(shè)計(jì)與其他同類設(shè)計(jì)的比較結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)可提供較高的吞吐率，并且在硬件資源方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，資源占用率遠(yuǎn)低于其他的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了資源優(yōu)先的設(shè)計(jì)目的。

本設(shè)計(jì)在整體性能方面(吞吐率/面積)具有明顯的優(yōu)越性，使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)加密算法將具有良好的發(fā)展前景。

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