??? 摘 要: 闡述了一種針對SRAM工藝FPGA的加密保護(hù)方案，并給出了主要模塊的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。該方案應(yīng)用當(dāng)前流行的3-DES" title="3-DES">3-DES算法對校驗(yàn)數(shù)據(jù)加密，可靠性高，占用資源少，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
??? 關(guān)鍵詞:? DES;? 3-DES;? FPGA加密;? CPLD
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??? 在現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中，以FPGA為代表的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場集成技術(shù)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于大規(guī)模高密度可編程邏輯器件一般都采用SRAM工藝，因此每次上電" title="上電">上電時(shí)，都要對FPGA器件重新進(jìn)行配置，從而可以通過監(jiān)視配置位數(shù)據(jù)流的方法對設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)制。因此，對于關(guān)鍵的核心設(shè)備有必要采用加密技術(shù)" title="加密技術(shù)">加密技術(shù)，以保護(hù)設(shè)計(jì)者的知識產(chǎn)權(quán)。
??? 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES(Data Encryption Standard)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)局頒布的由IBM公司研制的一種非機(jī)密數(shù)據(jù)的正式數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn),是一種世界公認(rèn)的較好的加密算法。而3-DES算法是為了克服DES算法密鑰只有56位的缺點(diǎn)提出的，它將密鑰擴(kuò)展為168位，到目前為止還沒有人給出攻擊3-DES的有效方法。本文給出一種基于3-DES算法的FPGA加密保護(hù)的硬件實(shí)現(xiàn)方法，具有較強(qiáng)的健壯性，足以滿足安全需求。
1 SRAM工藝FPGA存在的保密性問題及加密方法
??? 一般來說，采用SRAM工藝的FPGA芯片的配置方法主要有三種：由計(jì)算機(jī)通過下載電纜配置，用專用配置芯片配置，采用存儲(chǔ)器加微控制器的方法配置，這三種方法在加電時(shí)都需要將配置數(shù)據(jù)寫入FPGA。因此，只要對配置引腳進(jìn)行采樣就可以得到配置數(shù)據(jù)信息，從而可以對另一塊FPGA芯片進(jìn)行配置，完成對內(nèi)部電路設(shè)計(jì)的復(fù)制。
??? 由于上電時(shí)的配置數(shù)據(jù)可以被復(fù)制，因此單獨(dú)的一塊FPGA芯片無法實(shí)現(xiàn)有效加密。FPGA芯片供應(yīng)商對位數(shù)據(jù)流的定義是不公開的，所以無法通過外部的配置數(shù)據(jù)流信息推測內(nèi)部電路。也就是說，即使得到配置信息也無法知道內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。因此在配置完成后使FPGA處于非工作狀態(tài)，利用另外一塊保密性較強(qiáng)的CPU產(chǎn)生密碼驗(yàn)證信息與FPGA進(jìn)行信息交互，只有在驗(yàn)證成功的情況下才能使FPGA正常工作，這樣就能實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)的加密。
2 DES及3-DES算法介紹
2.1 DES算法
??? DES加密技術(shù)是一種常用的對稱加密技術(shù)。該技術(shù)算法公開，加密強(qiáng)度大，加解密采用同一個(gè)密鑰，解密為加密的逆過程，明文長度64位，輸出密文64位，64位密鑰中包括8位奇偶效驗(yàn)位，因此有效長度為56位。DES算法的總體流程如圖1所示，加密過程分成三個(gè)階段：首先，64位的明文經(jīng)過初始變換(IP)被重新排列；然后，進(jìn)行l(wèi)6輪相同函數(shù)的作用，每輪的作用都含有置換和代換過程，第16輪迭代的64位輸出經(jīng)過左右32位的互換產(chǎn)生預(yù)輸出；最后，預(yù)輸出再被與初始變換(IP)互逆的逆初始變換(IP-1)作用，產(chǎn)生64位的密文。圖1的右半部分給出了使用56位密鑰的過程。開始時(shí)，密鑰經(jīng)過壓縮變換（1）得到C、D兩部分，然后經(jīng)過循環(huán)左移(1)……(16)和壓縮變換（2）分別得到子密鑰K1……K16 ，供每一輪的迭代加密使用，每輪置換函數(shù)相同，但由于密鑰位的重復(fù)迭代使得子密鑰互不相同。
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2.2 3-DES算法
??? 隨著計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力不斷提高，傳統(tǒng)的DES已經(jīng)不能完全滿足人們對數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩砸螅?6位密鑰在窮舉攻擊之下比較脆弱，因此，新的更長密鑰的對稱加密算法逐步取代DES算法。3-DES使用三個(gè)不同的密鑰對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行三次DES加密，其中第二次DES運(yùn)行在解密模式，這樣密鑰的長度就能擴(kuò)展到l68位，從而充分防范窮舉攻擊。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
??? 本設(shè)計(jì)使用一塊CPLD芯片對FPGA進(jìn)行加密處理，系統(tǒng)的加密能力主要由CPLD的加密能力決定，這就要求加密算法要足夠復(fù)雜，使得對驗(yàn)證信息的捕獲與識別足夠困難。具體加密過程如下：首先產(chǎn)生兩個(gè)相同的偽隨機(jī)序列發(fā)生器：一個(gè)位于SRAM工藝的FPGA內(nèi)；另一個(gè)位于CPLD內(nèi)。FPGA上電配置完畢后每隔一段時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)新驗(yàn)證數(shù)據(jù)并且向CPLD發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號，CPLD在接收到觸發(fā)信號后其內(nèi)部的序列發(fā)生器也生成一個(gè)相同的偽隨機(jī)數(shù)" title="隨機(jī)數(shù)">隨機(jī)數(shù)并在加密后串行發(fā)出，F(xiàn)PGA接收數(shù)據(jù)并將其解密后與自身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若結(jié)果一致則通過驗(yàn)證，若結(jié)果不一致或在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒接收到數(shù)據(jù)，則進(jìn)入鎖定狀態(tài)不能正常工作。之所以采用3-DES算法進(jìn)行加密是因?yàn)槭褂脝渭兊膫坞S機(jī)數(shù)加密在窮舉攻擊下極易被破解，而在3-DES算法加密之后通過對引腳采樣的方法只能取得當(dāng)前的數(shù)據(jù)流信息，無法實(shí)時(shí)產(chǎn)生正確的驗(yàn)證信息，因而系統(tǒng)的安全性可以得到極大的提高。
4 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
4.1 整體結(jié)構(gòu)
??? 本系統(tǒng)分為兩個(gè)大模塊：CPLD上的FPGA_security模塊以及FPGA上的FPGA_decrypt模塊，連接方式如圖2所示。其中，F(xiàn)PGA_security模塊用來接收觸發(fā)信號、產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)、加密并發(fā)送數(shù)據(jù)，而FPGA_decrypt模塊則負(fù)責(zé)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)、發(fā)送觸發(fā)信號并計(jì)時(shí)、接收數(shù)據(jù)、解密、判斷比較。兩芯片之間通過同步串行接口進(jìn)行通信，TX_CLK為接口的同步時(shí)鐘，TX_BI指示數(shù)據(jù)發(fā)送的開始和結(jié)束，TXD為數(shù)據(jù)發(fā)送接口，trig_out觸發(fā)輸出，securty指示驗(yàn)證是否成功。偽隨機(jī)序列發(fā)生器采用64級移位寄存器實(shí)現(xiàn)。
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4.2? DES加密模塊
4.2.1 加密變換模塊
??? DES的初始變換和逆變換都是對數(shù)據(jù)的換位操作，在硬件實(shí)現(xiàn)上只需一些連線資源。在經(jīng)過初始變換之后，明文被分為L和R兩部分，之后要經(jīng)過16層加密變換，如圖3所示。每層變換的輸出作為下一輪迭代的輸入。每層變換的公式為：
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??? 為節(jié)省硬件成本，16層加密變換過程通過對單層加密變換的反復(fù)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)時(shí)鐘周期" title="時(shí)鐘周期">時(shí)鐘周期將輸出結(jié)果用鎖存器鎖存，以便下次調(diào)用。整個(gè)加密變換過程需16個(gè)時(shí)鐘周期。每輪的密鑰為48位子密鑰，由子密鑰生成部分提供，f{R(n),K(n)}是加密函數(shù)，它是DES加密的核心。
4.2.2? f函數(shù)模塊
??? 加密函數(shù)f{R(n),K(n)}的運(yùn)算主要包括擴(kuò)展運(yùn)算E，S盒運(yùn)算和P盒運(yùn)算。32位的輸入經(jīng)過E表擴(kuò)展為48位，然后與48位的子密鑰進(jìn)行模2加得到48位的結(jié)果。48位的數(shù)據(jù)通過S盒變換為32位，再通過P盒進(jìn)行一次置換得到加密函數(shù)的輸出。E運(yùn)算和P盒實(shí)際上都是一次位的置換，沒有很復(fù)雜的運(yùn)算。S盒由8個(gè)特殊的6位到4位的變換構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的非線性變換[1]，是加密函數(shù)的關(guān)鍵?？紤]到所選用芯片內(nèi)部的四輸入查找表結(jié)構(gòu)，先將S盒的實(shí)現(xiàn)邏輯表達(dá)式進(jìn)行化簡，化簡時(shí)先固定2個(gè)變量，化簡另外4個(gè)變量，在實(shí)現(xiàn)時(shí)使用雙重case語句，外層使用2個(gè)輸入，內(nèi)層使用4個(gè)輸入，從而充分利用內(nèi)部資源。
4.2.3? 子密鑰生成
??? 64位的輸入密鑰中第8，16，…，64位包含了8個(gè)奇偶效驗(yàn)位，壓縮變換除去了奇偶效驗(yàn)位，并對剩下的56位進(jìn)行位置換，有效的56位密鑰經(jīng)過壓縮變換后分成C和D兩部分。從第一個(gè)周期開始，每個(gè)時(shí)鐘C和D循環(huán)左移一位或兩位，鎖存后作為下一輪輸入， 同時(shí)C、D兩部分也在合并后通過壓縮變換產(chǎn)生48位的子密鑰K1、K2、K3……K16，作為f函數(shù)輸入。在解密過程中子密鑰的生成順序與加密過程正好相反，此時(shí)從第二個(gè)周期開始，每個(gè)時(shí)鐘C和D循環(huán)右移一位或兩位，即可得到K16、K15、K14……K1。
4.3? 3-DES加密/解密過程
??? 3-DES加密/解密實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示，其加密過程分三步：(1)使用密鑰KEY1對明文進(jìn)行DES加密得到A；(2)使用密鑰KEY2對A進(jìn)行DES解密運(yùn)算得到B；(3)使用KEY3對B再進(jìn)行一次DES加密得到密文。該算法最快速的實(shí)現(xiàn)方法是采用流水線實(shí)現(xiàn)，但由于運(yùn)算速度對加密保護(hù)的影響不大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮電路資源的節(jié)省。DES加密過程和解密過程的區(qū)別僅在于子密鑰給出的順序不同，因此選用循環(huán)迭代的設(shè)計(jì)，即對同一DES模塊調(diào)用三次。子密鑰的生成在三次DES運(yùn)算中也使用同一模塊，其輸入信號包括時(shí)鐘clk、count[1:0]、密鑰key_in[64:1]、觸發(fā)信號trig，輸出信號為子密鑰keysub[48:1]，其中count[1:0]指示DES運(yùn)算的次數(shù)，用來控制C、D循環(huán)左/右移位。3-DES的解密過程為加密過程的反變換，即第一、三次變換為DES解密，第二次為DES加密，使用密鑰的順序與加密時(shí)相反。
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4.4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果
??? 本設(shè)計(jì)中選用的兩塊芯片都是ALTERA公司的，CPLD為MAXⅡ系列的EPM1270T144C5，F(xiàn)PGA為cycloneⅡ系列的EP2C50F484C6。FPGA部分共使用868個(gè)LE單元， CPLD部分使用629個(gè)LE單元，只占LE單元總量的49％。為充分利用硬件資源，將加密算法做了進(jìn)一步增強(qiáng)，在兩芯片中各增加三個(gè)64位的隨機(jī)序列產(chǎn)生器作為密鑰的輸入。這樣一來，在通信時(shí)不但每次發(fā)送的數(shù)據(jù)不同，而且每次加密/解密的密鑰也在不斷變化，從而在原有基礎(chǔ)上又增加了算法的健壯性。最終結(jié)果如下：對于CPLD，總LE為1 039/1 270(81%)，對于FPGA，總LE為1 212/50 528(2%)。可見加密模塊只占用被加密芯片較少的硬件資源，對整個(gè)系統(tǒng)沒有造成大的負(fù)擔(dān)。圖5為仿真結(jié)果,圖中TX_CLKx為同步時(shí)鐘，trig_x為觸發(fā)信號(啟動(dòng)驗(yàn)證過程)，TX_BI_x為數(shù)據(jù)發(fā)送起始標(biāo)志位，TXD_x為串行數(shù)據(jù)發(fā)送端，code_add為加密前的信息，word_send_add為發(fā)送的加密后的信息，code_rec_x為接收信息，code_dec_x為解密后的信息，key_x為密鑰信息。由圖可見，當(dāng)code_add與code_dec一致時(shí)驗(yàn)證通過，此時(shí)驗(yàn)證標(biāo)志位security保持高電平。
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??? 本文提出了一種FPGA加密保護(hù)的硬件方案，使用一塊CPLD與FPGA芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，使用3-DES算法采用循環(huán)迭代方法對驗(yàn)證信息加密，每次加密/解密運(yùn)算需花費(fèi)48個(gè)時(shí)鐘周期，使用三個(gè)56位的密鑰，且通信雙方的密鑰在每次信息驗(yàn)證時(shí)都會(huì)不斷更新，每個(gè)密鑰序列的最大長度可達(dá)264-1，若對其密鑰空間中密鑰進(jìn)行窮舉搜索，由于空間太大，這實(shí)際上是不可行的。實(shí)驗(yàn)證明，該方案電路簡單、可靠性高，可以在FPGA芯片上正常工作。
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