DES加密算法的FPGA设计及实现

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(DataEncryptionstandard)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(ROM)发展到今天十分流行并广泛应用的现场可编程门阵列FPGA。FPAG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：介绍了研究课题“DES加密算法的FPGA设计及实现”的背景知识。2：完成了DES加密系统的整体设计。整个系统包括DES顶层模块，密钥生成模块和迭代加密模块。此系统的功能是输入明文和密钥后，输出DES加密后的密文。3：以ModelsimSE5.6为开发软件，用VHDL硬件描述语言设计了DES加密芯片，并且实现了三大模块的具体功能及整体连接。4：利用ModelsimSE5.6进行功能仿真测试并验证了整个系统的功能。【关键词】：DES，FPGA，VHDL，Modelsim，数据加密，模块ABSTRACTWiththedevelopmentofinformationtechnology,theapplicationofcomputerhascomeintosocialanyfield.Especiallyinmilitaryfield,peoplerelyoninformationmoreseriously.Soinformationsecuritybecomesveryimportant.Encryptionasasortofpowerweaponiswidelyusedinthefieldofinformationsecurity.DES(DataEncryptionStandard)encryptionarithmetichasstoodthelongtestfromwhenitbecametheencryptionstandardtonow.ItisprovedbymuchpracticethatthesecurityoftheDESencryptioncansatisfythevoluminousneedofsecurity.Withthedevelopmentofmicro-electronictechnology,theprogrammablelogicdevicedevelopfromearlierROMtoverypopularandextensiveappliedFPGA(FieldProgrammableGateArray)today.TheFPGAhasthecharacteristicofflexiblesystemstructureandlogicunit,highintegrationandwideapplication.Especially,theFPGAcancarryoutthemorelarge-scalecircuit,programmedflexibly.WhentheengineersusetheFPGAtodesignanddeveloptheproduct,thetimeisshort,thecostislow,thetoolisadvanced,thestandardproductdon’tneedtotest,thequalityissteadyandtheproductcanbeinspectedonline.So,theFGPAiswidelyusedtodesignandmakeproduct.Therefore,usingtheFPGAtodesignandimplementtheDESencryptionarithmeticisveryimportantanditwillbewidelyusedinmuchfield.Themaincontributionsofthepaperareasfollow:1:IntroducedtheresearchtopicDESencryptionalgorithmofFPGADesignandImplementationofbackgroundknowledge.2:ThecompletionoftheDESencryptionoftheoveralldesignofthesystem.DEStopoftheentiresystem,includingmodules,anditerativekeygenerationmoduleencryptionmodule.3:ModelsimSE5.6softwareforthedevelopment,useofVHDLhardwaredescriptionlanguagedesignandtherealizationofthethreespecificfunctionalmodulesandtheoverallconnection.4:UseModelsimSE5.6forfunctionalsimulationtotestandverifytheentiresystem.【Keyword】:DES，FPGA，VHDL，Modelsim，DataEncryption，Module引言信息技术的广泛发展使得计算机应用渗透到社会生活的各个领域，人们对信息的依赖程度越来越高。加密作为信息安全中一个最为有力的武器，正在发挥着保护信息不受非法侵入的重要作用。DES(DataEncryptionstandard)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。而现场可编程门阵列（FPGA）凭借其应用灵活、开发周期短、风险小，已广泛应用于现代电子系统中，成为系统设计的一种重要手段，因为实现了芯片的专用，由FPGA实现的DES算法的数据加密速率是最高的。所以说现场可编程门阵列（FPGA）在实现算法方面具有灵活性、物理安全性和比软件更高的速度性能，已成为硬件实现DES算法的最好选择。采用VHDL等硬件描述语言进行FPGA设计是一种行之有效的设计方法，也是与市场和技术发展相适应的设计方法。采用硬件描述语言进行设计时，设计者将有可能把更多的精力放到逻辑功能的设计上，设计的可重用也得到了最大的支持，因此这种设计方法将会极大地提高设计效率与设计质量。本论文研究首先要对DES加密核心及整个系统进行了性能分析，然后利用TestBeach分别通过Mode1Sim对设计进行尽可能全面细致的仿真仿真。同时，使设计的可靠性也得到了很大的提高，为设计的一次成功提供了重要的保证。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，尤其在军事通信领域方面。目录摘要..................................................................................................................................................1ABSTRACT..........................................................................................................................................2引言..................................................................................................................................................3目录..................................................................................................................................................41绪论..............................................................................................................................................61.1DES的基本概念及特点......................................................................................................61.2基于FPGA的DES加密系统的研究背景，意义，及应用前景......................................61.2.1DES加密系统现状及发展....................................................................................61.2.2PLD发展过程........................................................................................................61.2.3DES的FPGA实现可行性......................................................................................71.3本文主要工作及章节安排................................................................................................81.3.1本文主要工作........................................................................................................81.3.2章节安排..............................................................................................................82数据加密标准DES原理...............................................................................................................92.1基本概念与背景................................................................................................................92.1.1对称加密算法...........................................................................