工学基于fpga 的des加密算法的实现.docx

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工学基于fpga的des加密算法的实现

[工学]基于fpga的des加密算法的实现

[工学]基于fpga的des加密算法的实现杭州电子科技大学摘要密码技术作为信息安全的支撑技术，事关国家的根本利益，同时直接影响国家的未来和发展，世界各国都对此予以充分重视。

随着网络的快速发展，信息安全越来越引起人们的关注。

DES（DataEncryptionStandard，数据加密标准）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。

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CPLD/FPGA。

CPLD/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CPLD/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。

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加密核心模块和函数包模块。

（2）在ALTERA公司的QuartusII环境下用VHDL实现，进行编译、综合和仿真。

关键字：

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DES；VHDL；FPGA杭州电子科技大学ABSTRACTAsthekeyoftheinformationsecurity,encryptiontechnologyinfluencethenation’sbenefit.Itwillaffectnational’sfutureandthedevelopmentdirectly.Variouscountriesallregardingthisasimportanttechnology.Withtherapiddevelopmentofinternet,peoplepaymoreattentiontotheinformationsecurity.DES（DataEncryptionStandard）encryptionarithmetichasbeenstandingthroughmanytestssinceitbecametheencryptionstandard.ItisprovedthatthesecurityoftheDESencryptioncansatisfythevoluminousneeds.Withthedevelopmentofmicro-electronictechnology,theprogrammablelogicdevicedevelopsfromearlierROMtoCPLD/FPGAwhichisverypopularandextensiveappliedtoday.TheCPLD/FPGAhasthecharacteristicsincludingflexiblesystemstructureandlogicunit,highintegrationandwideapplication.Especially,theCPLD/FPGAcancarryoutthemorelarge-scalecircuitandcanbeprogrammedflexibly.WhentheengineersusetheCPLD/FPGAtodesignanddeveloptheproduct,thetimeisless,thecostislower,andthetoolsaremoreadvancedthanusingotherdevicesbecausethestandardproductdoesn’tneedtotestasbefore,thequalityissteadierandtheproductcanbeinspectedonline.So,theCPLD/FPGAiswidelyusedtodesignanddevelopproduct.Therefore,usingtheCPLD/FPGAtodesignandimplementtheDESencryptionarithmeticisverypracticalandwillbepopularinmanyfields.Themaincontributionsofthepaperareasfollow:

（1）CompletedthewholedesignoftheDESencryptionsystem.ThewholesystemincludestheDESencryptioncoremoduleandthefunctionpackagemodule.

（2）UsedALTERACompanyplatform--QuartusII，VHDLtorealizedesign,compile,synthesisandsimulatethedesign.Keywords:

DES；VHDL；FPGA杭州电子科技大学目录1绪论.11.1DES的基本概念及特点11.2DES和RSA21.3基于FPGA的DES加密系统的研究背景，意义，及应用前景.21.3.1DES加密系统现状及发展.21.3.2FPGA简介21.4硬件描述语言VHDL简介.31.5EDA工具简介.41.5.1QuartusⅡ开发工具简介41.5.2SynplifyPRO简介5本章小结62DES加密算法原理.72.1DES加密算法原理简介.72.2DES加密原理.72.2.1初始置换.82.2.2每轮循环过程.92.2.3轮密匙的产生122.3DES算法的安全强度.14本章小结.143加密系统设计153.1加密系统设计方案.153.2本课题讨论的设计内容.153.2.1程序函数包的设计.163.2.2轮密钥的生成183.2.3S盒的设计203.2.4每轮加密单元的设计.233.2.5DES算法执行模块的顶层设计25本章小结.274仿真结果及分析284.1基于QUARTUSⅡ的仿真284.2基于SYNPLIFYPRO的综合29本章小结.30结束语.31参考文献.32致谢.33杭州电子科技大学11绪论1.1DES的基本概念及特点[5][5]数据加密标准（DataEncryptionStandard，DES），作为ANSI（AmericanNationalStandardsInstitute，美国国家标准学会）的数据加密算法（DataEncryptionAlgorithm，DEA）和ISO（InternationalOrganizationforStandardization，国际标准化组织）的DEA-1，成为一个世界范围内的标准己经20多年了。

DES起源于1973年美国国家标准局（NBS）征求国家密码标准方案。

IBM就提交了其在20世纪60年代末设立的一个计算机上密码编码学方面的研究项目的成果的结果，这个项目在1971年底研制了一种称为Lucifer的算法。

它是当时提出的最好的算法，因而在1977年被选为数据加密标准，有效期限为5年，随后在1983，1987，1993年三次再度被授权续用5年。

DES（DataEncryptionStandard）满足了国家标准局欲达到的4个目的:

提供高质量的数据保护，防止数据XX的泄露和未被察觉的修改；具有相当高的复杂性，使得破译的开销超过可能获得的利益，同时又要便于理解和掌握。

DES算法把64位的明文输入块变为64位的密文输出块，它所使用的密钥也是64位，首先，DES把输入的64位数据块按位重新组合，并把输出分为L0、R0两部分，每部分各长32位，并进行前后置换（输入的第58位换到第一位，第50位换到第2位，依此类推，最后一位是原来的第7位），最终由L0输出左32位，R0输出右32位，根据这个法则经过16次迭代运算后，得到L16、R16，将此作为输入，进行与初始置换相反的逆置换，即得到密文输出。

DES算法的入口参数有三个：

Key、Data、Mode。

其中Key为8个字节共64位，是DES算法的工作密钥；Data也为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据；Mode为DES的工作方式，有两种：

加密或解密，如果Mode为加密，则用Key去把数据Data进行加密，生成Data的密码形式作为DES的输出结果；如Mode为解密，则用Key去把密码形式的数据Data解密，还原为Data的明码形式作为DES的输出结果。

在使用DES时，双方预先约定使用的”密码”即Key，然后用Key去加密数据；接收方得到密文后使用同样的Key解密得到原数据，这样便实现了安全性较高的数据传输。

DES算法在POS（PointOfSells，电子收款机系统），ATM（AutomaticTellerMachine，自动取款机），IC卡，加油站，高速公路收费站等领域被广泛应用。

杭州电子科技大学21.2DES和RSA[5][5]设计一种强密度的密码算法有两种方法，一是研究用于密码分析的所有可能性解法，然后设计一套规则以挫败这些解法中的任何一种算法，于是便能构造一种能够抗拒这些解法的算法，二是构造这样的一些算法，使得要破解它就必须解决一些问题，而这些问题被认为是不可解的。

本文将要介绍的DES算法属于第一种，而RSA则属于第二种。

1.3基于FPGA的DES加密系统的研究背景，意义，及应用前景1.3.1DES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