3-DES算法的FPGA高速实现

引 言

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、路由器等所提供的加/解密功能。目前，基于DES算法的加/解密硬件仍在广泛应用于国内卫星通信、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。

然而，随着密码分析技术的不断发展，超期服役的DES算法已被攻破，随即美国商业部提出采用以Rijndael算法的AES作为新一代的加密算法。在不对原有应用系统作大的改动的情况下，3-DES算法有了很大的生存空间，被大量用来替换已不安全的DES算法。所以对3-DES算法的高速实现，仍具有一定的实际应用意义。

1 3-DES算法介绍

1999年，NIST将3-DES指定为过渡的加密标准。3-DES是DES的一个更安全的变形（关于DES算法的详细资料，可见参考文献[1]、[2]）。DES算法运算的框图如图1。其中S盒是3-DES（DES）算法的心脏，靠它实现非线性变换。



3-DES算法可以描述如下：设ek(x)和dk(x)表示用DES算法对64位的位串的加密和解密，密钥为K；则64位的密文c是通过执行下面的运算得到的：



其中K1、K2、K3是56位的DES密钥。从密文c导出明文x的3-DES的解密过程是加密过程的反过程，其描述如下：



其结构如图2。



为了获得更高的安全性，三个密钥应该是互不相同的。这样，本质上就相当于用一个长为168位的密钥进行加密。多年来，它在对付强力攻击时是比较安全的。对安全性需要不那么高的数据，K1可以等于K3。在这种情况下，密钥的有效长度为112位。

在通常使用的所有64位的分组密码中，3-DES是最安全的；但是，如果用软件来实现，它也是这些分组密码中最慢的。通过硬件设计，3-DES的性能胜过大多数其它用软件实现的分组密码。

2 FPGA实现设计

本设计采用实验室现有试验开发板上Xilinx公司SPARTANII结构的XC2S100作为算法载体，在其中实现控制器和三个DES模块以及密钥的生成，通过控制器实现加、解密功能。从上边的介绍可以看到，3-DES（DES）算法没有大量的复杂数学计算（如乘、带进位的加、模等），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。这些特点为采用FPGA进行高速设计提供了契机。

2.1 DES模块的设计结构

每个DES模块的实现是用一个轮函数实现的16份拷贝通过深度细化的流水线处理来完成的，以获得最高的性能。

采用循环全部打开和流水线结构来设计。循环全部打开后，实现全部16轮结构并串在一起，只要一个时钟周期就可以完成一个数据块的加密或解密；通过多占很大的空间来换得速度上的大幅度提高，然后再在每轮的中间加上寄存器来实现流水线。在第一时钟周期，第一块数据经过第一轮处理存入寄存器1中。在下一个时钟周期，寄存器1中的结果经过第二轮处理存入寄存器2中；同时，第二块数据可以经过第一轮处理存入寄存器1。这样，多块数据实现了同时处理。另外，在设计中通过使用16个寄存器，使得加/解密速度可以提高近16倍。在DES模块的每一轮中设计3级流水线，尽管这样增加了48个周期的时延，但却进一步提高了整体处理的速度性能；同时，将数据加/解密部分和密钥生成部分分开单独设计，可以减少相邻流水线级间的逻辑层数目。

2.2 S盒设计

通过时间分析发现，S盒在整个设计中占了很大的比重。S盒性能的提高对于整个设计性能会有很大的改善，因此S盒是整个设计优化的重点。

DES的8个S盒分别是一个满足特殊性能的6~4位的变换。在VHDL或Verilog语言中，可以直接用CASE语句来实现。这是最简单的实现方法，但是HDL语言都属于高级语言，它们强烈依赖于编译器的优化能力，往往对设计者来说，涉及得越少、编程越简单，代码效率越不高，这对于高速实现来说是不可取的。在实现过程中通过分析工具也发现，依赖于编译器的实现不但复杂，而且占用大量的空间。这样，S盒成了速度的瓶颈，为此，采用ROM来实现。 XC2S100的LUT可以配置为16×1位的ROM，把输入的6位作为地址，对应的地址空间里存放的就是输出的4位，从而实现了6~4位的查找表 LUT，所需时间只是FPGA中CLB的传输时间加上传输线上的延时，如图3。



2.3 密钥生成器设计

密钥生成器的设计是独立于DES轮函数运算实现的，采用3级流水线来与轮函数中的流水线相平衡，单轮的实现如图4。



其中，3级流水线由移位寄存器（SR）和1个触发器(FF)构成，在SR中完成两级流水线，在FF中实现第三级。XC2S100的LUT中的每个查找表LUT可以用来生成1～16个移位寄存器，而且在一个单独的可配置逻辑功能块CLB中连接8个移位寄存器来构成一个128位的移位寄存器。

2.4 3-DES的实现

将上述所设计的三份DES模块在FPGA中组合，实现如图5所示的完整连接。整个时延约为单个DES模块的三倍。