基于FPGA的RC4加密算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

苗三立，左金印，宋宇飛

(1.華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083； 2.北京大學(xué)，北京 100083)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，信息作為一種重要的資源已經(jīng)成為促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)増長的重要力量。但是，信息的存儲(chǔ)、傳遞、處理等過程通常需要通過公開的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作，容易遭受到竊聽、篡改、偽造等多種攻擊方式的威脅，因此信息安全是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的一個(gè)重要的課題方向[1]。眾多加密算法也應(yīng)運(yùn)而生，典型的有DES，RC4，RSA，AES，IDEA等，其中加密算法RC4以其實(shí)現(xiàn)容易、加密速度快、安全性較高，得到廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用。該算法的速度可以達(dá)到DES加密算法的10倍左右，且具有較高級(jí)別的非線性[2]。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，傳統(tǒng)的軟件加密已經(jīng)逐漸不能滿足日常工作的需求，傳統(tǒng)軟件加密的局限性也逐漸暴露出來，在眾多計(jì)算機(jī)信息安全系統(tǒng)中，各種高速數(shù)據(jù)密碼機(jī)、密碼卡、智能卡等硬件加密手段被應(yīng)用到各種系統(tǒng)設(shè)備中，用來提高密碼運(yùn)算速度和系統(tǒng)的安全性、可靠性。當(dāng)前，以密碼設(shè)備為核心的硬件加密系統(tǒng)已成為構(gòu)筑信息安全平臺(tái)的重要屏障。本文給出了一種基于FPGA的RC4加密算法實(shí)現(xiàn)方案，相比軟件實(shí)現(xiàn)，該方案加密速度更快，安全性更高，可以應(yīng)用于多種不同的信息傳輸通信系統(tǒng)[3]。

1 RC4算法介紹

RC4是一種流密碼算法，是現(xiàn)代通信領(lǐng)域通用的基于非線性變換的算法，該算法被廣泛用于SSL/TLS協(xié)議、WEP協(xié)議和WPA協(xié)議，Lotus Notes、Windows、Oracle Secure SQL、Apple(AOCE)等多種通訊協(xié)議，現(xiàn)如今RC4算法也被用作蜂窩數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包規(guī)范[4]。RC4加密算法是由Ron Rivest，一名美國的密碼學(xué)家于1987年設(shè)計(jì)完成實(shí)現(xiàn)，起初RC4算法被用于數(shù)據(jù)庫(MySQL)安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域上，一直到1994年該算法被發(fā)布到了互聯(lián)網(wǎng)上，開源公布給大家[5]。對(duì)RC4算法的改進(jìn)分別是Paul 和Prenecl于2005年提出的RCA算法和Bartosz于同年提出的VMPC算法[6]。

該算法是一種流密碼加密算法，是基于非線性變換的算法，主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：

1)密鑰編制算法(Key Schedule Algorithm)：用變長的密鑰進(jìn)行隨機(jī)排序產(chǎn)生密鑰流的初始狀態(tài)；

2)偽隨機(jī)序列生成算法PRGA(pseudo random generation algorithm)：參照初始狀態(tài)生成相應(yīng)的密鑰流序列，然后與明文相異或生成相應(yīng)的密文。

RC4加密算法加密原理如下：第一步，按照既定的算法初始化兩個(gè)向量寄存器S和T；第二步，對(duì)寄存器S進(jìn)行重排列(亂序排列)；第三步，按照既定的算法產(chǎn)生相應(yīng)的密鑰流k，然后存儲(chǔ)并參與之后的明文加密操作[7]。加密流程如圖1所示。

圖1 加密流程

2 硬件設(shè)計(jì)

本文采用Verilog HDL語言以同步有限狀態(tài)機(jī)(FSM)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的RC4加密處理流程。在計(jì)算機(jī)信息安全系統(tǒng)中，硬件加密手段被應(yīng)用到設(shè)備中來提高密碼運(yùn)算速度和系統(tǒng)的安全性。RC4加密算法的FPGA實(shí)現(xiàn)方案，相比軟件實(shí)現(xiàn)方案，硬件加密方案速度更快，安全性更高[8]。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)由3部分組成，分別是時(shí)序邏輯控制模塊、運(yùn)算控制模塊及存儲(chǔ)模塊三部分組成，其中存儲(chǔ)模塊包括密鑰流存儲(chǔ)模塊和內(nèi)部寄存器存儲(chǔ)模塊。明文數(shù)據(jù)由外部輸入，暫存于明文寄存器，與存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的密鑰流共同參與運(yùn)算模塊的處理。運(yùn)算模塊產(chǎn)生的密文暫存于密文寄存器中，供后續(xù)模塊的使用。其中，系統(tǒng)內(nèi)使用的時(shí)鐘由時(shí)序處理模塊產(chǎn)生，通過FPGA配置AD9516芯片輸出低抖動(dòng)、穩(wěn)定的時(shí)鐘[9]。首先將密鑰信息K存儲(chǔ)在密鑰存儲(chǔ)模塊(RAM)中，然后根據(jù)地址信息從密鑰存儲(chǔ)模塊(RAM)中提取密鑰信息K，本文中規(guī)定明文數(shù)據(jù)為3字節(jié)(24 bit)，經(jīng)過RC4加密處理模塊產(chǎn)生相應(yīng)的密鑰流k信息，完成密鑰流的生成，用以生成相應(yīng)的密文信息[10]。邏輯框圖如圖2所示。

圖2 邏輯框圖

1)時(shí)序邏輯控制模塊：時(shí)序邏輯控制模塊采用AD9516-3芯片，AD9516-3是ADI公司發(fā)布的AD9516系列時(shí)鐘產(chǎn)品，可以提供高質(zhì)量、低抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)，適用于無線和有線的基礎(chǔ)設(shè)施、WIMAX基地、光網(wǎng)站、自助測試設(shè)備、醫(yī)學(xué)圖像處理等儀器儀表裝置。AD9516系列集成了1個(gè)整數(shù)N分頻的頻率合成器、1個(gè)軋空振蕩器(VCO)、2個(gè)參考輸入端、可編程驅(qū)動(dòng)器、可調(diào)延遲線和14個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器，包括LVPECL、LVDS和CMOS輸出。AD9516芯片由系統(tǒng)FPGA芯片通過串行控制端口來進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)配置及輸入[11]。模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 時(shí)序邏輯控制模塊結(jié)構(gòu)圖

2)運(yùn)算控制模塊：采用有限狀態(tài)機(jī)的方式對(duì)各個(gè)邏輯狀態(tài)進(jìn)行控制和操作，時(shí)鐘采用AD9516芯片輸出的低抖動(dòng)、高質(zhì)量的時(shí)鐘信號(hào)。詳細(xì)的狀態(tài)流程才加軟件設(shè)計(jì)部分。

3)存儲(chǔ)模塊：存儲(chǔ)模塊采用Block RAM存儲(chǔ)，相較與FIFO存儲(chǔ)而言，優(yōu)勢在于可以通過訪問地址選取不同的數(shù)據(jù)信息。為解決并行系統(tǒng)高效進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸和交換的實(shí)時(shí)性要求，本文采用了一種基于FPGA的四口RAM，四口RAM由1個(gè)雙口RAM模塊、2個(gè)控制模塊和4個(gè)緩存模塊組成[12]。總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 四口RAM存儲(chǔ)模塊中體設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，流程設(shè)計(jì)采用狀態(tài)機(jī)的規(guī)范進(jìn)行編寫，總體流程為：消息信息進(jìn)入設(shè)計(jì)系統(tǒng)，首先進(jìn)行CRC編碼，經(jīng)過編碼后的消息信息進(jìn)行RC4編碼加密處理，然后進(jìn)行消息信息的傳遞。

3.1 CRC校驗(yàn)設(shè)計(jì)

循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(cyclic redundancy check， CRC)又稱CRC校驗(yàn)，是一種能力非常強(qiáng)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)碼，相比于更加穩(wěn)定、精確的RS校驗(yàn)算法，具有實(shí)現(xiàn)編碼和檢碼的電路比較簡單、編碼易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢，通常用于串行傳輸?shù)妮o助存儲(chǔ)器與主機(jī)的信息數(shù)據(jù)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。CRC檢驗(yàn)是一種在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和其它串行傳輸系統(tǒng)中廣泛使用的錯(cuò)誤檢測手段。通用的CRC標(biāo)準(zhǔn)有CRC-8、CRC-16、CRC-32、CRC-CCIT，其中在設(shè)備信息傳輸通信系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的是CRC-16標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)手段是采用串行的編碼方式進(jìn)行CRC編碼，速度比較慢，處理并行數(shù)據(jù)電路較為復(fù)雜；本系統(tǒng)將采用一種新的CRC-16并行編碼方式，采用并行處理的方式進(jìn)行對(duì)并行信息數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC編碼。相比于串行CRC編碼方式，消耗時(shí)鐘減少，硬件電路簡化等優(yōu)勢。

進(jìn)行CRC編碼要采用模2運(yùn)算法則，具體描述一下模2運(yùn)算法則。首先模2運(yùn)算是一種二進(jìn)制運(yùn)算法則，同時(shí)也包括相應(yīng)的模2加、模2減、模2乘、模2除4種運(yùn)算。模2運(yùn)算用“+”表示加法運(yùn)算，用“-”、“×”或“.”、“/”分別表示減法、乘法和除法運(yùn)算。因此，模2運(yùn)算是類似于四則運(yùn)算的一種二進(jìn)制算法。但是模2運(yùn)算不同于四則運(yùn)算的是，模2減法為不帶借位的二進(jìn)制減法，模2加法是不帶進(jìn)位的二進(jìn)制加法。同理，模2乘法在中間的累加運(yùn)算時(shí)也是不帶進(jìn)位的二進(jìn)制加法；模2除法在中間結(jié)果的減法時(shí)也是不帶借位的二進(jìn)制減法。由此看來，模2運(yùn)算的加減法相當(dāng)于兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)的按位異或運(yùn)算操作。同理，模2除法運(yùn)算的，如果余數(shù)的首位為1，那么商就為1，其他操作按照模2減法運(yùn)算；如果余數(shù)的首位為0，那么商就為0。

CRC碼校驗(yàn)的基本思路是：利用線性反饋移位寄存器(linear feedback shift register, LFSR)和線性編碼的原理。LFSR是指，首先給定前一狀態(tài)的輸出，將該輸出的線性函數(shù)再用作輸入的移位寄存器。其中文章中采用的異或運(yùn)算是最常見的單比特線性函數(shù)：對(duì)寄存器中的某些位進(jìn)行異或運(yùn)算后作為后面狀態(tài)的輸入端，然后再對(duì)整個(gè)寄存器進(jìn)行移位操作。具體運(yùn)算如下：再輸出端按照要發(fā)送的k位二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列，采用模2運(yùn)算的法則產(chǎn)生一個(gè)r位的監(jiān)督碼，即校驗(yàn)用的CRC碼，然后將其添加到k位二進(jìn)制信息碼的低位處，組成一個(gè)k+r位的新的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列，此產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列的過程便是CRC編碼。在檢驗(yàn)時(shí)，使用CRC編碼與生成多項(xiàng)式G(x)進(jìn)行模2除法運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果如果余數(shù)為0，那么說明在傳輸過程中k位二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列沒有發(fā)生錯(cuò)誤或丟失；如果運(yùn)算結(jié)果不為0，說明在傳輸過程中k位二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列發(fā)生錯(cuò)誤或產(chǎn)生丟失。因此，采用余數(shù)是否為0來判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生變化。

CRC碼的檢錯(cuò)糾錯(cuò)原理：在接收端收到數(shù)據(jù)后若如果有一位數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，結(jié)果則為余數(shù)不為0，并且不同位出錯(cuò)，其余數(shù)不但不為0并且也不同。假設(shè)循環(huán)碼有一位出錯(cuò)，用G(x)作模2除將得到一個(gè)不為0的余數(shù)。如果對(duì)余數(shù)補(bǔ)0繼續(xù)除下去，將出現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：余數(shù)會(huì)按照001,010,100,011,111,101循環(huán)下去，分別對(duì)應(yīng)出錯(cuò)位第1,2,3,4,5,6,7位。例如第一位出錯(cuò)，余數(shù)將為001，余數(shù)后面補(bǔ)0后再除(補(bǔ)0后如果數(shù)據(jù)的最高位為1，則用除數(shù)做模2減法然后取余數(shù)；如果最高位為0，則其最低3位就是余數(shù))，計(jì)算后得到第二次余數(shù)為010。之后繼續(xù)補(bǔ)0作模2除，依次得到余數(shù)為100,011,111,101,循環(huán)下去。

本系統(tǒng)采用的是并行處理的CRC校驗(yàn)，相比串行CRC校驗(yàn)消耗的時(shí)鐘減少，電路結(jié)構(gòu)簡化。輸入數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)A7，串行處理結(jié)果圖5所示，經(jīng)過8個(gè)時(shí)鐘周期后結(jié)果為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)83D1。并行處理結(jié)果如圖6所示，系統(tǒng)經(jīng)過1個(gè)時(shí)鐘周期后輸出結(jié)果為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)83D1。

圖5 串行CRC編碼時(shí)序仿真圖

圖6 并行CRC編碼時(shí)序仿真圖

3.2 算法設(shè)計(jì)流程

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA芯片采用Xilinx廠家生產(chǎn)的Spartan6 XC6SLX45T型號(hào)，RC4算法程序采用Verilog編寫。RC4算法程序流程圖如圖7所示。

圖7 RC4算法程序流程圖

RC4算法具體流程為，首先從RAM中提取密鑰k，然后初始化數(shù)組S、T，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定數(shù)組容量為256位；然后對(duì)數(shù)組S進(jìn)行重排序，進(jìn)而產(chǎn)生32位的密鑰，存入RAM模塊，與明文進(jìn)行異或操作產(chǎn)生密文。

在設(shè)計(jì)中采用同步有限狀態(tài)機(jī)(FSM)實(shí)現(xiàn)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。idle為初始化數(shù)組S和T狀態(tài)，arrange為重新排列數(shù)組S狀態(tài)，produce為產(chǎn)生密鑰流狀態(tài)；remainder為對(duì)j取余狀態(tài)，swap_1為交換數(shù)組S狀態(tài)；remainder_i為對(duì)i取余狀態(tài)，remainder_j為對(duì)j取余狀態(tài)，remainder_t為對(duì)t取余狀態(tài)，swap_2為交換數(shù)組S狀態(tài)，myflow為產(chǎn)生密鑰流狀態(tài)。

圖8 RC4算法狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

當(dāng)明文數(shù)據(jù)有效時(shí)，程序RC4算法加密模塊控制信號(hào)有效，程序采用異步復(fù)位信號(hào)控制，當(dāng)復(fù)位信號(hào)為無效信號(hào)(即低電平)時(shí)，在FPGA_CLK時(shí)鐘上升沿的控制下，進(jìn)入idle狀態(tài)，定義兩個(gè)位寬為8位，深度為256的一維數(shù)組S和T，在該狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)一維數(shù)組S和T的初始化。對(duì)一維數(shù)組S按照順序進(jìn)行初始化賦值，對(duì)一維數(shù)組T按照給定的密鑰K來進(jìn)行初始化賦值，此處需要256個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)下一個(gè)FPGA_CLK時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，state進(jìn)入arrange狀態(tài)，進(jìn)行對(duì)一維數(shù)組S進(jìn)行重排序，如圖4所示。注意進(jìn)入該狀態(tài)時(shí)，要對(duì)寄存器j進(jìn)行清零操作。state信號(hào)進(jìn)入同步有限狀態(tài)機(jī)(FSM)state1，首先進(jìn)入remainder狀態(tài)，對(duì)寄存器j進(jìn)行取余操作；然后隨著FPGA_CLK上升沿的到來，進(jìn)入swap_1狀態(tài)，對(duì)一維數(shù)組S進(jìn)行“任意”的交換處理操作，保證每一個(gè)一維數(shù)組S都進(jìn)行交換處理操作，在該狀態(tài)下需要256次循

環(huán)，共消耗(512)個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)下一個(gè)FPGA_CLK時(shí)鐘信號(hào)的上升沿到來后，state進(jìn)入produce狀態(tài)，生成密鑰流，如圖8所示。進(jìn)入該狀態(tài)時(shí)，分別對(duì)寄存器i，j分別進(jìn)行清零操作。state信號(hào)進(jìn)入同步有限狀態(tài)機(jī)(FSM)state2，首先進(jìn)入remainder_i狀態(tài)，對(duì)寄存器i進(jìn)行取余操作；當(dāng)FPGA_CLK時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，進(jìn)入remainder_j狀態(tài)，對(duì)寄存器j進(jìn)行取余操作；在swap_2狀態(tài)下，“任意”交換一維數(shù)組S；在remainder_t狀態(tài)下，對(duì)寄存器t進(jìn)行取余操作；在myflow狀態(tài)下，生成密鑰流k。至此，一幀明文數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的密鑰流k生成完成，當(dāng)FPGA_CLK時(shí)鐘下一個(gè)上升沿到來時(shí)，state進(jìn)入下一次循環(huán)中。在produce狀態(tài)下，循環(huán)次數(shù)與一幀明文數(shù)據(jù)中有效數(shù)據(jù)信息的字節(jié)數(shù)相關(guān)，在本設(shè)計(jì)中，有效數(shù)據(jù)信息假定為3字節(jié)，因此在produce狀態(tài)下，共循環(huán)3次，消耗15個(gè)時(shí)鐘周期。在本設(shè)計(jì)中，生成對(duì)應(yīng)的密鑰流k共消耗783個(gè)FPGA_CLK時(shí)鐘周期。

4 實(shí)驗(yàn)方法步驟、驗(yàn)證及結(jié)果分析

根據(jù)上述RC4算法的設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)采用Xilinx公司的ISE 14.7軟件對(duì)其進(jìn)行編譯綜合，并在Modelsim SE 10.1a軟件中進(jìn)行時(shí)序仿真。RC4算法時(shí)序仿真圖如圖9所示，仿真時(shí)假定輸入明文有效數(shù)據(jù)信息sv_data_i為24'h33aa55，當(dāng)異步復(fù)位信號(hào)sl_rst_i有效(高電平)時(shí)，輸出密文數(shù)據(jù)sv_data_o為24'h000000，當(dāng)done_sig信號(hào)為高電平時(shí)，產(chǎn)生RC4算法加密模塊結(jié)束提示信號(hào)，當(dāng)下一個(gè)FPGA_CLK時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，生成的密鑰流k為24'h2fb7f6，進(jìn)行異或操作后輸出密文數(shù)據(jù)24'h1c1da3，并存儲(chǔ)在寄存器sv_data_o中。

圖9 RC4算法加密時(shí)序仿真圖

通過Xilinx公司的chipscope軟件，上板測試程序的可執(zhí)行性，相關(guān)的信號(hào)波形如圖10所示。

圖10 測試波形圖

從上述測試結(jié)果可以看出，RC4算法加密模塊可以滿足本系統(tǒng)的需求，且其工作狀態(tài)正常，相比軟件加密方式，時(shí)鐘消耗更低；相比普通RC4加密算法消耗時(shí)鐘降低。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1]中RC4算法消耗的時(shí)鐘約在 (明文數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù))時(shí)鐘數(shù)，本系統(tǒng)中RC4消耗(明文數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù))個(gè)時(shí)鐘數(shù)，相比之前的算法設(shè)計(jì)減少256個(gè)時(shí)鐘，且消耗硬件資源占比更低。在ISE 14.7中完成該模塊的綜合并下載到FPGA開發(fā)板上進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)語

本文用Verilog HDL語言以有限狀態(tài)機(jī)(FSM)的形式設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的RC4加密傳輸數(shù)據(jù)幀的系統(tǒng)，比通常設(shè)計(jì)中時(shí)鐘的需求更少，并在仿真軟件Modelsim SE 10.1a中進(jìn)行了仿真測試，得到的仿真波形滿足設(shè)計(jì)需求。并且通過ISE 14.7中進(jìn)行綜合并下載到FPGA開發(fā)板中實(shí)現(xiàn)了功能驗(yàn)證，證實(shí)了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。本系統(tǒng)可應(yīng)用于通信數(shù)據(jù)傳輸中，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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