张峰，郑春来，耶晓东
(陕西理工学院 陕西 汉中 723003)

1 引 言

随着通信技术和网络技术的飞速发展，对于数据传输安全性的要求也随之增强，因此人们提出了很多数据加密算法。基本加密算法有两种：对称密钥加密、非对称密钥加密。其中，对称密钥加密也叫秘密／专用密钥加密，即发送和接收数据的双方必须使用相同的／对称的密钥对明文进行加密和解密运算。最著名的对称密钥加密标准是数据加密标准DES。DES是一种使用56个数据位的密钥来操作64位数据块的块加密算法，由IBM公司推出，可同时对大量数据进行快速加密。

DES的实现方法通常分为软件实现和硬件实现两种。软件实现时速度较慢，软件实现DES算法的最快速度不到150 Mb／s，在某些高速数据传输的场合，数据传输速率达到1 Gb／s以上，用软件实现算法是无法满足要求的；同时，软件实现DES算法在安全性方面也存在隐患，因此必须采用硬件实现。DES算法全部是逻辑运算，用硬件实现时速度很快，通常可以达到软件实现速度的几十倍。FPGA(现场可编程门阵列)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。

2 DES算法原理

DES算法是一种分组加密算法，他以64位的分组数据进行加解密，数据加密和解密使用相同的算法结构，只是密钥的使用顺序不同。蜜钥通常为64位，但每个第8位都用作奇偶校验，实际密钥长度为56位。DES算法的保密性取决于密钥，但只有极少数的密钥被认为是弱密钥，所以在实际的应用中可以很容易避免。图1为DES算法的流程图。

DES算法的基本流程如下：首先，输入明文通过初始置换，将其分成左、右各为32位的两个部分，然后进行16轮完全相同的运算。经过16轮运算后，左、右半部分合并在一起经过一个末置换(初始置换的逆置换)，于是整个算法结束。

在每一轮运算中，密钥位移位，然后再从密钥的56位中选取48位。通过一个扩展置换，将数据的右半部分扩展为48位，并通过一个异或操作与一个48位密钥结合，通过8个S盒将这48位替代成新的32位数据，再通过一级置换操作。这四步操作即为图1中的函数f。图2给出了函数f的计算流程图。

假设Bi是第i次迭代的结果，Li和Ri为Bi的左半部分和右半部分，Ki是第i轮的48位密钥，那么每一轮就是：

3具体硬件实现

DES算法的硬件实现以图1为基础，其中的初始置换和末置换的实现比较简单，具体可参考文献[1]。硬件实现的关键在于如何实现函数f和每一轮迭代中密钥。本文重点研究了DES算法中函数f的实现方法，并给出了 实际代码。

函数f的实现参照图2，首先将数据的右半部分扩展为48位数据，该操作的目的是产生与密钥同长度的数据以进行异或操作。异或操作的结果(48位)进行S盒替代，将数据压缩为32位。每个S盒都有6位的输入，4位的输出，48位的输入被分为8个6位的分组，每一个分组对应一个S盒替代操作。每个S盒是一个4行、16列的表，输入位以一种特殊的方式确定S盒中的项。假定将S盒的6位输入标记为x0，x1，x2，x3，x4，x5。则x0和x5组合成2位的数，从0～3，对应表中的一行，x2～x5构成一个4位的数，从0～15，对应表中的一列。限于篇幅，本文仅给出S1盒的置换，具体如表1所示。

整个模块的实现代码如下：

在函数f的实现中，我们使用例化调用了S box1～8。S盒是DES中的非线性模块，直接决定DES算法的安全性。根据表1，我们使用CASE语句可以方便地实现S盒。S盒的实现方法相同，本文只给出S1盒第0行的实现。参考文献[1-3]的S盒替代函数，根据本文给出的方法，可以方便地实现函数f。


4测试仿真及结果

DES模块在QuartusⅡ5.1版本中，综合结果表明：该DES模块耗费4362LE，该模块下载到EP1S10B672C6芯片中，最高工作频率可达106.85 MHz。由于本设计采用16级流水总线设计，所以最高数据编码／解码速率可达6 Gb／s。在Quartus中的仿真结果如图3所示。其中，de-crypt为加密／解密模式选择信号，低电平为加密模式，高电平为解密模式。desIn为输入信号，desOut为输出信号，key为密钥。根据文献[4]，采用675A69675E5A6B5A作为明文，5B5A57676A56676E作为密钥，加密后的密文应为974AFFBF86022D1F。因此，我们采用以上的数据作为测试向量，对设计进行了测试。测试结果表明：本设计的加密／解密功能完全正确。