摘 要：介绍了DES算法的基本原理与加密过程，给出了基于FPGA的DES算法的硬件实现，并且用Quartus II 实现了模块仿真，验证了DES加密算法。

关键词：DES算法； FPGA； 仿真

随着网络通信技术的发展，如何保护数据传输过程的安全已成为一项急迫的要求。政府部门、金融行业、通信行业、情报等系统都非常重视信息的安全。密码安全技术则是所有安全服务的基础。数据加密是信息安全的重要手段，DES密码算法是最有代表性的分组加密算法，1976年被美国政府采用，随后又被美国国家标准局和美国国家标准学会承认，发展至今已成为工业界的标准密码算法，目前广泛应用于保密通信中。DES算法用64位的密钥对64位的明文加密，64位密钥中每8位就有一奇偶校验位，不参与运算，因此有效密钥只有56位。此外，由于该算法的对称性，其加密和解密运算过程完全相同，只是在迭代运算时子密钥的使用顺序不同^[1]。DES加密算法有各种实现方案，本文提出一种DES加密算法的硬件实现方法。

DES算法主要包括：初始置换、16轮迭代的乘积变换、初始逆置换以及16个子密钥产生器^[2]。DES 加密过程如图1所示。

初始置换主要用于对明文中的各位进行换位，目的在于打乱明文中各位的排列次序，输出结果按奇偶分为左右两路送入乘积变换部分。在这个过程中不使用密钥，仅仅对64位码进行移位操作。而进行逆初始置换是为了使加解密统一使用同一种算法。初始置换与初始逆置换只是将64位输入的数据按位进行重新排列，只需要一些输入输出端口，按照置换规则把输入与输出对应关联即可^[3]。下面只介绍密钥的产生与16轮迭代乘积变换模块的设计。

1 子密钥生成模块

DES算法每一轮次迭代都需要一个子密钥，要实现DES算法就需要提前生成子密钥，并且按照时序准确地传递给迭代过程。

子密钥产生模块由选择控制、循环移位控制等部分构成。该模块的输入是64位初始密钥，输出为参加每次迭代运算的子密钥，另外还有一个控制信号（time），用来控制在不同迭代过程中移位的次数。本设计采用硬件描述语言（VHDL)按照子密钥产生的过程，通过置换选择1、循环移位、置换选择2，一步一步得到子密钥的。循环移位仿真结果如图2所示。图中，c0、d0是经过置换选择1后得到的前后28位，Time为控制移位次数的控制信号，k1为移位后的结果，再经过置换选择2即可得子密钥。

因为每轮移位的次数不同，所以每轮子密钥产生的时间也不相同，所以会给迭代运算带来延迟，这也是采用VHDL设计存在的不足。从VHDL设计结果可以看出，原密钥与每轮子密钥之间有固定的关系，因此，可以通过软件分析，建立子密钥相对于原始密钥的关系表，在硬件实现时直接使用此关系表即可，这样也可以有效地节省硬件资源。

2 迭代变换

DES算法是典型的迭代分组密码算法，实现过程的核心是16轮次相同的迭代运算。输入的64位明文先执行初始置换对明文进行换位处理；然后通过子密钥k1～k16对明文进行16轮乘积变换，即进行16次迭代处理；最后经过逆初始置换的处理，得到64位的密文输出。16次迭代的目的是使明文增加混乱性和扩散性，避免输出密文残留统计规律，使破译者无法反向推算出密钥。

轮迭代运算中的f函数是非线性的，它是每轮实现混乱和扩散的最关键的模块，也是整个加密算法的核心，它包括E盒扩展置换、S盒置换和P盒置换，其基本过程如图3^[4]所示。其中，E盒扩展置换、P盒置换的原理和实现方法与初始置换以及逆初始置换类似，运算过程都是线性的，而S盒是一个复杂的非线性函数，正是经过了S盒的非线性变换，才使算法达到很好的“混乱”效果，从而具有较强的安全性。因此，S盒的设计是DES算法的关键部分，S盒设计的优劣将影响整个算法的性能。

基于S盒的表现形式是矩阵形式，因此在使用VHDL语言建立Ｓ盒模型时，一般都会想到直接用多重选择CASE语句^[5]。在这里即采用CASE语句实现。用CASE选择语句实现S盒有两种方式：一种是直接使用S盒的6位输入为6个变量的CASE语句方式，另一种方式是使用双重CASE嵌套语句，即外层使用2个输入控制S盒的横向选择；内层使用4个输入控制S盒的纵向选择。采用双重CASE语句可以直接定位输出结果。这两种方式下占用资源的情况如表1所示。

根据表1比较的结果可以看出，选择双重CASE语句建立S盒模型可以大大节省资源,其仿真结果如图4所示。s0为S盒的输入，s2为S盒的输出，这样就完成了非线性的变换。图5为通过Quartus II实现的基于FPGA的DES加密算法的硬件仿真线路图。

本文通过对各个模块特别是S盒与子密钥生成模块的详细分析，给出了DES加密的一种实现方法，并在此基础上对部分模块进行了验证仿真，给出了硬件仿真线路图。这种设计方法是根据功能模块分层进行的，因此可以节省设计时间，减少设计输入的错误，简化验证的过程。

参考文献

[1] STALLINGS W． Cryptography and network security principles and practices[M]． prentice Hall, 1996．

[2] 胡向东，魏琴芳．应用密码学[M]．北京：电子工业出版社，2006．

[3] 高献伟，周玉坤，路而红,等．DES算法硬件实现的研究[J]． 北京电子科技学院学报, 2001,(1):11-15．

[4] 张福泰．密码学教程[M]．武汉：武汉大学出版社，2006．

[5] 李永彬，雷 菁．DES加密算法的高速FPGA实现[J]．电子工程师，2005,(7)：39-40．