基于FPGA的3DES算法的实现和应用

周庆芳

[摘要]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，3DES算法有了很大的生存空间，被大量用来代替已经不安全的DES算法。本文通过对可编程逻辑器件FPGA的相关基础知识的学习和对3DES算法的研究，以FPGA为平台进行3DES算法的实现设计，具有一定的实际应用意义。

[关键词]FPGA 3DES 设计 应用

一、引言

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所提供的加/解密功能。目前，基于DES算法的加，解密硬件广泛应用于国内卫星通信、网关服务器以及其他大量的数据传输业务中。DES算法是一种采用传统加密方法的分组密码，它的算法是对称的，既可用于加密又可用于解密。

随着密码分析技术的发展，DES算法已被攻破，在不对原有应用系统做大的改动的情况下，3DES算法有了很大的生存空间，被大量用来代替已经不安全的DES算法。本文通过对可编程逻辑器件FPGA的相关基础知识的学习和对3DES算法的研究，以FPGA为平台进行3DES算法的实现设计，经仿真验证该系统能够实现加/解密功能，具有广泛的市场应用前景。

二、算法介绍

3DESs～DES的一个更安全的变形。其中s盒是3DES（DES）算法的心脏，靠它实现非线性变换。

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

c=ek3（dk2（ek1（x））

其中，k1、k2、k3是56位的DES密钥。从密文c导出明文x的3DES的解密过程是加密过程的反过程，其描述如下：

x=dk1（ek2（dk3（c）））

三、3DES的设计与实现

（一）设计过程

3DES（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。由于DES算法中每个分组需经过16轮运算，如果采用顺序电路构架则每过16轮运算才能得到一个加密分组，大大降低了加密效率。高速DES运算电路采用流水结构，16步迭代设计16个运算模块，分别称作LUNl、LUN2、…、LUNl6，数据在各模块间流水运算。当系统对第i个输入的数据元素进行第j段运算的同时，还可以对第i+1个数据进行第卜1段的运算，对第i+2个输入的数据元素进行第i-2段的运算……以此提高系统的运算效率。

（二）控制电路

控制电路是整个系统的控制中心，可以采用移位寄存器或计数器加译码电路构成，为减少信号毛刺，提高电路运算的稳定性与工作速度。这里选用一个17bits的串人并出移位寄存器，其中16bits用于生成算法的每輪运算的使能信号，另外1bit用于生成指示加密输出的ready信号。

（三）密钥生成模块

密钥生成模块与流水构架DES运算电路的工作时序相对应，其16步迭代运算所需子密钥必须同时生成。密钥生成模块由选择控制电路PC-1、选择输出、压缩置换电路PC-2构成。该部分的输入是64bits初始密钥，输出为每次迭代运算用的子密钥，使能控制信号、模式控制信号。64bits初始密钥经过置换选择PC-1去除校验位并被分离成左右两部分，各28bits，在模式控制信号（加密或脱密）及内部状态机信号控制下，根据移位表，选择输出，经压缩置换PC-2同时形成各步迭代所需运算子密钥。

四、系统仿真

（一）3DES加/解密运算模块

3DES算法进行3次DEs算法，所以只要写出DES算法的程序，进行例化调用即可。

（二）密钥生成模块

密钥生成模块是系统的核心模块，采用随机方式生成的密钥，具有代表性。

五、小结

本文通过对3DES加/解密算法的设计，展示出了FPGA在3DEs加/解密算法上的应用，让我们从一个更高的角度来理解FPGA的设计，在以后的设计实践中应从FPGA接口方面考虑来完善该设计。该系统主要包括密钥生成模块、控制电路等几个方面设计3DES加/解密系统，经仿真验证该系统能够实现加/解密功能，具有广泛的市场应用前景。