基于FPGA的DES加密系统设计与实现
摘要
随着信息技术的发展，计算机应用渗透到社会生活的各个领域，特别是军事的应用，使人们对信息的依赖程度越来越高，因而信息安全技术显得格外重要。加密作为信息安全中一个最为有力的武器，正在发挥着重要的作用。
DES (Data Encryption Standard)加密算法在成为加密标准到今天，经历了长期的考验。实践证明DES算法的安全性是能够满足大部分的安全要求的。采用软件方式实现的DES算法会在很大程度上占用系统资源，造成系统性能的严重下降，而DES算法本身并没有大量的复杂数学计算，在加/解密过程和密钥生成过程中仅有逻辑运算和查表运算，因而，无论是从系统性能还是加/解密速度的角度来看，采用硬件实现都是一个理想的方案。
随着微电子技术的发展，可编程逻辑器件由早期的只读存贮器((PROM)发展到今天十分流行并广泛应用的现场可编程门阵列FPGA 。 FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活，集成度高以及实用范围宽等特点，可以实现较大规模的电路，编程也很灵活，而且设计开发周期短，设计制造成本低，开发工具先进，标准产品无需测试，质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产。
所以，应用FPGA来设计和实现DES加密算法具有十分重要的现实意义和广阔的应用前景。本文设计实现了一种基于FPGA的DES加密系统。
概括起来，本文主要完成了以下几方面的主要工作: 1: 完成了DES加密系统的整体设计。整个系统包括DES加密核心模块，UART通信接口模块和BLOCKRAM存储模块。
2: 以EITS2003开发板为硬件开发平台，ISEwebpack为开发软件，用Verilog硬件描述语言设计并且实现了三大模块的具体功能及整体连接。
3: 用PC，串口调试工具，UART通信接口和EITS2003开发板测试并验证了整个系统的功能。
4: 探讨了DES加密系统在军事通信总站内的应用。
关键字:DES, FPGA, Verilog, UART, B1ockRAM, 数据加密
ABSTRACT
With the development of information technology, the application of computer has come into social any field. Especially in military field, people rely on information more seriously. So information security becomes very important. Encryption as a sort of power weapon is widely used in the field of information security.
DES (Data Encryption Standard) encryption arithmetic has stood the long test from when it became the encryption standard to now. It is proved by much practice that the security of the DES encryption can satisfy the voluminous need of security. Implementing the DES arithmetic by software will engross much system resource and make the system function decline. But the DES arithmetic has not much and complex mathematics count and only has logic operation and look-up-table operation. So, thinking from the point of system function and speed of encryption and decryption, implementing the DES arithmetic by hardware is an ideal project.
With the development of micro-electronic technology, the programmable logic device develop from earlier ROM to very popular and extensive applied FPGA(Field Programmable Gate Array) today. The FPGA has the characteristic of flexible system structure and logic unit, high Integration and wide application. Especially, the FPGA can carry out the more large-scale circuit, programmed flexibly. When the engineers use the FPGA to design and develop the product, the time is short, the cost is low, the tool is advanced, the standard product don't need to test, the quality is steady and the product can be inspected on line. So, the FPGA is widely used to design and make product.
Therefore, using the FPGA to design and implement the DES encryption arithmetic is very important and it will be widely used in much field. The main contributions of the paper are as follow:
1: Completed the whole design of the DES encryption system .The whole system includes the DES encryption core module, he UART communication interface module and Block RAM memory module. 2: Used the Verilog hardware design language to design and implement the function and the whole connection of the three modules by the EITS2003 as the hardware development flat roof and the ISEwebpack as the software development tool.
3: Used the PC, SCOMAssistant, the UART communication interface and the EITS2003 development plat roof to test and rerify the function of the whole system.
4: Discussed the application of the DES encryption system in the military communication station. Key words: DES,FPGA, Verilog, UART, BIockRAM， Data Encryption
摘要…………………………………………..………………………………………………..工 ABSTRACT…………………………………………………………………………………..工工 第一章绪论……………………………………………….. ………………………………………1
1. 1 DES的基本概念及特点……………………………………………………………. …..1 1. 2基于FPGA的DES加密系统的研究背景，意义，及应用前景………………………..1 1. 2. 1 DES加密系统现状及发展………………………………………………...……..1 1. 2. 2 PLD发展过程……………………………………………….. …………………..1 1. 3本文主要工作及章节安排…………………………………………………………….....2 1. 3. 1本文主要工作………………………………………………….……………..…..2 1.3.2章节安排……………………………………………………………………….…..2 本章小结…………………………………………………………………………………..…..3 第二章DES加密算法原理及系统开发环境……………………………………………….……..4 2. 1 DES加密算法原理……………………………………………………………...………..4 2. 1. 1 DES加密算法原理简介……………………………………………...…………..4 2. 1. 2初始序列变换IP………………………………………………….………………5 2. 1. 3加密函数f………………………………………………..……….………………6 2. 1. 4子密钥生成………………………………………………..……..………………9 2. 2系统开发环境………………………………………………..………….………………11 2. 2. 1硬件开发平台E工TS2003……………………………………………………..11 2. 2. 2软件开发工具ISE WebPack……………………………………..……………..12 2. 2. 3硬件描述语言Verilog HDL………………………………….………..………..13 本章小结…………………………………………………………………..…………………15 第三章DES加密系统设计与实现……………………………………………………..………..16 3. 1 DES加密系统设计方案………………………………………………………………..16 3. 1. 1 DES加密核心设计方案………………………………………………………..16 3. 1. 2通信接口设计方案………………………………………………………….…..17 3. 1.3 BlockRAM存储模块设计方案…………………………………………...……..18 3. 1. 4系统设计实现的功能…………………………………………………..….……18 3. 2 DES加密系统的实现………………………………………………...…………………19 3. 2. 1 DES加密核心模块的实现………………………………………..………...…..19 3. 2. 2 UART通信接口模块的实现………………………………………………..…..21 3.2.3 B1ockRAM存储模块的实现………………………………….…………..……..22 3. 2. 4 DES加密系统整体设计结果………………………………….…………..……25 本章小结…………………………………………………………………….………….……31 第四章性能分析与功能验证...................………………………………………….…..................32 4. 1性能分析…………………………………………………………………..…….………32 4. 1. 1 DES加密核心的性能分析………………………………………..…….………32 4. 1. 2整体性能分析……………………………………………………..…………….32 4. 2功能验证…………………………………………………………………..…………….33 4. 2. 1基于ModelSim仿真的功能验证………………………………….……………33 4. 2. 2实际硬件验证…………………………………….………………..……………34 本章小结………………………………………………………………………..……………36
第五章DES加密系统在军事通信总站内的应用……………………………………………..37 5. 1 DES加密系统在军事通信总站内的应用背景………………………………………37 5. 2军事通信总站用户服务呼叫中心系统结构………………………………………….37 5. 3 DES加密系统在军事通信总站用户服务呼叫系统中的应用………………………39 本章小结……………………………………………………………………………………40 结束语……………………………………………………………………………………………41 参考文献…………………………………………………………………………………………42 致谢………………………………………………………………………………………………42
第一章绪论
1.1 DES的基本概念及特点
数据加密标准(Data Encryption Standard, DES)[1]，作为ANSI的数据加密算法(Data Encryption Algorithm ,DEA)和IS0的DEA-1，成为一个世界范围内的标准己经20多年了。尽管它带有过去时代的特征，但它很好地抗住了多年的密码分析，除可能的最强有力的敌手外，对其他的攻击仍然是安全的。
DES是一个分组加密算法，它以64位为分组对数据加密。64位一组的明文从算法的一端输入，64位的密文从另一端输出。DES是一个对称算法:加密和解密用的是同一种算法。密钥的长度为56位。(密钥通常表示为64的数，但每个第8位都用作奇偶校验，可以忽略。)密钥可以是任意的56为的数，且可在任意的时候改变。其中极少量的数被认为是弱密钥，但能容易地避开它们。所有的保密性依赖于密钥。[2]
1. 2 基于FPGA的DES加密系统的研究背景，意义，及应用前景
1.2.1 DES加密系统现状及发展
随着信息技术的发展，计算机应用渗透到社会生活的各个领域，特别是在军事中的应用，使人们对信息的依赖程度越来越大，从而使信息安全技术显得格外重要。从技术角度讲，网络安全除了依赖安全的网络通信协议及应用协议外，更多地取决于网络设备如交换机、路由器、网桥等所提供的加/解密功能。目前，基于DES算法的加/解密硬件广泛地应用于军事，卫星通信、网关服务器、机顶盒、视频传输以及其它大量的数据传输业务中。
DES (Data Encryption Standard)加密技术是一种常用的对称加密技术，该技术算法公开，加密强度大，运算速度快，在各行业甚至军事领域得到广泛的应用。DES算法从1977年公布到现在已有将近30年的历史，虽然有些人对它的加密强度持怀疑态度，但现在还没有发现实用的破译DES的方法。并且在应用中，人们不断提出新的方法增强DES算法的加密强度，如3重DES算法、带有交换S盒的DES算法等.因此 DES算法在信息安全领域仍有广泛地应用。
采用软件方式实现的DES算法会在很大程度上占用系统资源，造成系统性能的严重下降，而DES算法本身并没有大量的复杂数学计算（如乘、带进位的加、模等运算）[3]，在加/解密过程和密钥生成过程中仅有逻辑运算和查表运算，因而，无论是从系统性能还是加/解密速度的角度来看，采用硬件实现都是一个理想的方案。
1.2. 2 PLD发展过程
当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。信息高速公路，多媒体电脑，移动电话系统，数字电视，各种自动化设备以及我们日常的一些小制作都要用到数字集成电路。随着科学技术的发展，数字集成电路本身也在不断地进行更新换代.它由早期的电子管，晶体管，小规模集成电路，中规模集成电路，大规模集成电路，发展到超大规模集成电路以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务己不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计们更愿意自己设计专用集成电路