摘要： 介紹了3DES加密算法的原理并詳盡描述了該算法的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。采用了狀態(tài)機(jī)和流水線技術(shù)，使得在面積和速度上達(dá)到最佳優(yōu)化；添加了輸入和輸出接口的設(shè)計(jì)以增強(qiáng)該算法應(yīng)用的靈活性。各模塊均用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，最終下載到FPGA芯片Stratix EP1S25F780C5中。
　　關(guān)鍵詞： 狀態(tài)機(jī) 流水線 3DFS FPGA
　　隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，信息安全越來(lái)越引起人們的關(guān)注。加密技術(shù)作為信息安全的利器，正發(fā)揮著重大的作用。通過(guò)在硬件設(shè)備（如由器、交換機(jī)等）中添加解密功能，可使存儲(chǔ)和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有較高的安全性。傳統(tǒng)的加密工作是通過(guò)在主機(jī)上運(yùn)行加密軟件實(shí)現(xiàn)的。這種方法除占用主機(jī)資源外，其運(yùn)算速度較硬件加密要慢，密鑰以明文的方式存儲(chǔ)在程序中，或者以加密的方式存儲(chǔ)在文件或數(shù)字庫(kù)中，重要數(shù)據(jù)（如個(gè)人密碼PIN等）會(huì)在某一時(shí)刻以明文形式出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存或磁盤(pán)中，安全性較差。而硬件加密是通過(guò)獨(dú)立于主機(jī)系統(tǒng)外的硬件加密設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算都通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，不占主機(jī)資源、速度快、安全性較高。
　　
　　盡管DES已被證實(shí)是不安全的算法（主要是密鑰太短），但三重DES增加了密鑰長(zhǎng)度，由56位增加到112或168位，有更高的安全性，而且在新一代因特網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)IPSEC協(xié)議集中已將DES作為加密標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，基于DES算法的加/解密硬件目前已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星通信、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、機(jī)頂盒、視頻傳輸以及其它大量的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)中。利用3DES可以使原系統(tǒng)不作大的改動(dòng)。所以對(duì)3DES的研究仍有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
　　1 3DES加密算法描述
　　DES成為一個(gè)世界范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)20多年了，很好地抗住了多年的密碼分析，除最強(qiáng)有力的可能敵手外，對(duì)其它的攻擊仍是安全的。DES對(duì)64位的明文分組進(jìn)行操作，通過(guò)一個(gè)初始置換，將明文分成左半部分和右半部分，然后進(jìn)行16輪完全相同的運(yùn)算，最后經(jīng)過(guò)一個(gè)末置換便得到64位密文。每一輪的運(yùn)算包含擴(kuò)展置換、S盒代換、P盒置換和兩次異或運(yùn)算，另外每一輪中還有一個(gè)輪密鑰（子密鑰）。整體框圖如圖1所示。
　
　　3DES（即Triple DES）是DES向AES過(guò)渡的加密算法（1999年，NIST將3-DES指定為過(guò)渡的加密標(biāo)準(zhǔn)），是DES的一個(gè)更安全的變形。它以DES為基本模塊，通過(guò)組合分組方法設(shè)計(jì)出分組加密算法，其具體實(shí)現(xiàn)如下：設(shè)Ek（）和Dk（）代表DES算法的加密和解密過(guò)程，K代表DES算法使用的密鑰，P代表明文，C代表密表，這樣，
　　3DES加密過(guò)程為：C=Ek3（Dk2（Ek1（P）））
　　3DES解密過(guò)程為：P=Dk1（（EK2（Dk3（C）））
　　具體的加/解密過(guò)程如圖2所示。K1、K2、K3決定了算法的安全性，若三個(gè)密鑰互不相同，本質(zhì)上就相當(dāng)于用一個(gè)長(zhǎng)為168位的密鑰進(jìn)行加密。多年來(lái)，它在對(duì)付強(qiáng)力攻擊時(shí)是比較安全的。若數(shù)據(jù)對(duì)安全性要求不那么高，K1可以等于K3。在這種情況下，密鑰的有效長(zhǎng)度為112位。
　　
　　2 FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
　　2．1 FPGA設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)
　　用硬件實(shí)現(xiàn)某種密碼算法，首先要用硬件描述語(yǔ)言（如HHDL、Verlog HDL）進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編碼，然后采用專(zhuān)用集成電路（ASIC）或現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。采用ASIC方法設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，且費(fèi)用也較昂貴；而采用FPGA，可由設(shè)計(jì)者自己對(duì)芯片內(nèi)部單元進(jìn)行配置，設(shè)計(jì)比較靈活，只需改變配置就可實(shí)現(xiàn)安全不同的功能，大大縮短了設(shè)計(jì)周期和開(kāi)發(fā)時(shí)間，節(jié)省人力物力，同時(shí)經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以達(dá)到較高的性能。另外，有多種EDA開(kāi)發(fā)軟件支持FPGA的設(shè)計(jì)，在本設(shè)計(jì)中作者采用了ALTERA公司的Quartus II開(kāi)發(fā)軟件。
　　2．2 狀態(tài)機(jī)和流水線技術(shù)的應(yīng)用
　　面積和速度這兩個(gè)指標(biāo)貫穿著FPGA設(shè)計(jì)的始終，是設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)價(jià)的終極標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)目標(biāo)就是在滿足給定的時(shí)序要求（包含對(duì)設(shè)計(jì)頻率的要求）的前提下，占用較小的芯片面積；或者在所規(guī)定的面積下，使設(shè)計(jì)時(shí)序余小量更大，頻率更高。通過(guò)功能模塊復(fù)用可減少設(shè)計(jì)消耗的芯片面積；反之，并行復(fù)制多個(gè)操作模塊可較大地提高設(shè)計(jì)頻率。在本設(shè)計(jì)中充分考慮了這一對(duì)矜持體，采用狀態(tài)機(jī)和流水線相結(jié)合的技術(shù)，使得在減少芯片資源消耗的情況下又能提高設(shè)計(jì)頻率。
　　狀態(tài)機(jī)是組合邏輯和寄存器邏輯的特殊組合，尤其適合于數(shù)字系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的狀態(tài)在一定的條件下相互轉(zhuǎn)移。分析DES的算法結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，輪運(yùn)算是相同的，只是輸入子密鑰不同，同時(shí)各輪的子密鑰都可以通過(guò)密鑰移位再經(jīng)過(guò)一個(gè)壓縮置換操作直接得到，所以通過(guò)密鑰移位現(xiàn)經(jīng)過(guò)一個(gè)壓縮置換操作直接得到，所以將輪運(yùn)算作為一個(gè)共享模塊，反復(fù)進(jìn)行該操作，其輸入參數(shù)由狀態(tài)機(jī)控制部分提供，主要是密鑰移位的位數(shù)。只在空閑狀態(tài)下將輪運(yùn)算結(jié)果輸出。因數(shù)據(jù)端是16位，故每個(gè)狀態(tài)機(jī)模塊中進(jìn)行四輪輪運(yùn)算。
　　
　　流水線處理是高速設(shè)計(jì)中的一個(gè)常用設(shè)計(jì)手段。如果某個(gè)設(shè)計(jì)的處理流程可分為若干步驟，而且整個(gè)數(shù)據(jù)處理是“單流向”的，即沒(méi)有反饋，前一個(gè)步驟的輸出是下一個(gè)步驟的輸入，則可以考慮用流水線設(shè)計(jì)方法提高系統(tǒng)的工作頻率。流水線設(shè)計(jì)是一種技巧，它在很長(zhǎng)組合路徑的中間點(diǎn)引入寄存器。寄存器會(huì)增加等待時(shí)間，但卻能增加速度，減少邏輯級(jí)。此外，附加寄存器雖然會(huì)增加一定的功耗，但卻極大地減少了毛刺。流水線處理方式之所以頻率較高，是因?yàn)閺?fù)制了處理模塊，它是FPGA設(shè)計(jì)中面積換取速度思想的具體體現(xiàn)。DES的16輪運(yùn)算結(jié)構(gòu)是相同的，符合流水線設(shè)計(jì)的要求，所以基于DES的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將前面的狀態(tài)機(jī)模塊作為流水線的一個(gè)單元，這樣DES共有四個(gè)狀態(tài)，串聯(lián)起來(lái)形成四級(jí)流水線。因狀態(tài)機(jī)中有寄存器，能保證流水線的工作，所以各單元間不需再加寄存器。狀態(tài)機(jī)及流水線結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中給出了由密鑰直接生成各子密鑰的移位數(shù)。將DES模塊復(fù)制三份，就形成了16級(jí)流水線，所不同的是流水線內(nèi)部是狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，所以每四個(gè)時(shí)鐘周期才會(huì)得到一組加/解密結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)同樣適用于數(shù)據(jù)端是8位和32位的。