电子学本科毕业设计(论文)前期报告

1、河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）前期报告毕业设计（论文）题目：基于FPGA的DES加密算法的研究与实现专业：电子科学与技术学生信息：学号：075467 姓名： xxx 班级：电技C073指导教师信息：教师号：02109 姓名：武一 职称：教授报告提交日期：2011年3月14日一、毕业设计前期报告要求阐述工作过程，遇到的问题、解决问题的方法、效果、启示，任务书要求进度完成情况、课题研究的主要内容随着通信技术和网络技术的飞速发展，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，使人们对于数据传输安全性的要求也随之增强，因此信息安全技术显

2、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。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。其中最著名的对称密钥加密标准是DES（Data Encryption Standard）。DES算法是一种分组加密算法，以64位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。密钥通常为64位，每个第8位都作奇偶校验，实际密钥长度为56位。DES算法的保密性取决于密钥，选择合适的密钥对明文进行加密和解密运算。DES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。

3、采用软件方式实现的DES算法会在很大程度上占用系统资源，造成系统性能的严重下降，而DES算法本身并没有大量的复杂数学计算，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，因而无论是从系统性能还是加解密速度的角度来看，采用硬件实现都是一个理想的方案。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（PROM）发展到今天十分流行并广泛应用的现场可编程门阵列FPGA， FPGA技术是门阵列（Gate Array）技术与可编程逻辑器件（PLDProgrammable Logic Device）技术的合成。伴随着大规模集成电路和计算机技术的高速发展，在涉及工业自动化、仪器仪表、计算机设计与应用

4、、通信、国防等领域的电子系统中，FPGA技术的含量正以惊人的速度提升。FPGA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，在实现算法方面具有灵活性、安全性，成为硬件实现DES算法的最好选择。、拟采用的研究方法1熟悉EDA 开发工具和相关软件，熟悉DES算法的流程，掌握软件开发的设计方法。2采用模块化设计的思想，通过编写Verilog HDL语言程序实现DES功能模块。3. 通过EDA开发平台ModelSim环境下完成加密/解密的综合与验证。、任务书要求进度完成情况1、任务书完成进度情况经过两周的研究讨论，也查阅了大量的相关资料，已经基本建立项目模型，对项目

5、中用到的基本技术有了一定的了解，因此完成了前期报告并有了成熟的设计思路。2、工作启示及其感想工作过程中遇到了一些难处，以前没有接触过DES加密算法，对DES的算法原理不理解；对其设计流程不明确；进行功能模块设计时对其实际的设计流程和设计思想不了解，不能正确的进行软件编程。正式开始准备毕业设计后，发现自己以前对于FPGA的理解并不准确。通过查找相关资料，对FPGA有了进一步了解，同时对DES加密算法的设计思想有了初步认识。为了能顺利的完成毕业设计，必须认真的去学习其中涉及的各个方面。在学习方法上要充分利用各种图书和文献资料，不能忽视所遇到的每一个问题。二、文 献 综 述、课题研究现状、意义及应用

6、前景现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)是最近10年发展起来的新型可编程逻辑器件。由于FPGA器件的功能由逻辑结构的配置数据决定，工作前需要从芯片外部加载配置数据。配置数据存储在片外的EPROM或其它存储体上，人们可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场编程。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPG

7、A的基本特点1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。由于FPGA技术突出的特点，FPGA与CPLD一起在数字电路中发挥着巨大的作用。FPGA的使用非常灵活，同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。FPGA在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到

8、了广泛应用。随着功耗和成本的进一步降低，FPGA还将进入更多的应用领域。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。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, 为了解决数据在网络通信中的安全传输问题,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算法是一种分组加密算法，以64位分组数据进行加、解密，数据加密和解密使用相同的算法结构，只是

9、密钥的使用顺序不同。DES加密算法可同时对大量数据进行快速加密。通常在通信网络的两端，双方约定一致的Key，在通信的源点用Key对核心数据进行DES加密，然后以密码形式在公共通信网（如电话网）中传输到通信网络的终点，数据到达目的地后，用同样的Key对密码数据进行解密，便再现了明码形式的数据核心。这样便保证了核心数据（如PIN、MAC等）在公共通信网中传输的安全性和可靠性。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

10、,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。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、关键问题1熟悉DES算法的流程及算法原理，采用模块化设计的思想，合理设计初始置换IP、l6 轮子密钥生成、S盒迭代以及初始置换的逆四个功能模块的问题。2解决软件编程问题以实现DES模块功能。3使用ModelSim实现加密的综合与验证。、解决方法1、DES算法原理及流程图DES算法的入口参数有三个：Key，Data，Mode。其中Key为8字节共64位，是DES算

11、法的工作密钥；Data也为8字节共64位，是要被加密或被解密的数据；Mode为DES的工作方式，包括加密和解密两种。若Mode为加密，则用Key把数据Data进行加密，生成Data的密码形式（64位）作为DES的输出结果。若Mode为解密，则用Key把密码形式的数据Data解密，还原为Data的明码形式（64位），作为DES的输出结果。图1 DES 算法的流程图密文输出Reverse initial permutation (IP)R0 (32)L16= R15R16= L15 f( R15, K16)16轮相同运算R1= L0 f( R0, K1 )L1 = R0K1f函数异或运算（XOR）

12、L0 (32)Initial permutation (IP)明文输入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轮完全相同的迭代运算。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。图1 为DES 算法的流程图。2、功能模块设计DES加密模块总体构架：S1Initial permutation(IP)Key-gendesrounddesS3S2S4S5S6S7S8图2 DES加密总体构架图中：IP ：初始置换模块 Key-gen：密钥产生模块 S1S8 ：S盒置换模块 desrou

13、nd ：一轮变换模块 des ：顶层模块其中密钥产生模块被desround模块调用。顶层模块des综合连接其余各模块。2-1 Initial permutation (IP)模块2-1-1初始置换在第一轮运算之前执行，对输入分组实施如表2-1所示的变换。此表应从左向右、从上向下读。例如，初始置换把明文的第58位换到第1位的位置，把第50位换到第2位的位置，把第42位换到第3位的位置，等等。表2-15850423426181026052443628201246254463830221466456484032241685749413325179159514335271911361534537292

14、11356355473931231572-1-2 再将这64位数据分为左右两部分，每部分分别为32位，左32位称为L0，右32位称为R0，将左32位留下，将右32位按照表2-2进行排列表2-232123454567898910111213121314151617161718192021202122232425242526272829282930313212-2 key-gen模块2-2-1 由于不考虑每个字节的第8位（每个字节第8位可作为奇偶校验位以确保密钥不发生错误），DES的密钥由64位减至56位，如表2-3所示。 表2-3574941332517915850423426181025951

15、433527191136052443663554739312315762544638302214661534537292113528201242-2-2 将56位密钥分成两部分，每部分28位。开始的28位称为C0，最后的28位称为D0。 2-2-3 生成16个子密钥，初始轮数I=1。 2-2-4 同时将CI、DI左移1位或2位，根据I值决定左移的位数。表2-4给出了每轮移动的位数。表2-4I12345678910111213141516左移位数11222222122222212-2-5 在DES的每一轮中，从56位密钥选出以表5中的48位子密钥（Sub Key），这些子密钥KI由下面的方式确定

16、。（将CIDI作为一个整体按表2-2-3进行变换，得到48位的子密钥KI）表2-514171124153281562110231912426816727201324152313747553040514533484449395634534642503629322-2-6 从2-2-1处循环执行，直到K16被计算完成2-3 S盒置换模块2-3-1 用16个子密钥加密数据，初始I=1。 2-3-2 将32位的RI-1按表2-6扩展为48位的EI-1表2-63212345456789891011121312131415161716171819202120212223242524252627282928

17、2930313212-3-3当产生了48位密钥后就可以和右边32位明文进行异或运算了，即EI-1 XOR KI，得到48位的密文2-3-4再经过下论的S盒跌带，其功能是把6bit数据变为4bit数据，每个S盒是一个4行、16列的表。盒中的每一项都是一个4位的数。具体操作为：1将异或后的结果分为8个6位长的部分，假定第1位到第6位称为B1，第7位到第12位称为B2，依此类推，第43位到第48位称为B8。 2按S表变换所有的BJ，初始J=1。所有在S表的值都被当作4位长度处理。3将BJ的第1位和第6位组合为一个2位长度的变量M，M作为在SJ中的行号。M从0到34将BJ的第2位到第5位组合，作为一个

18、4位长度的变量N，N作为在SJ中的列号。 N从0到155用SJMN来取代BJ。6.循环执行，直到B8被替代完成。 S盒的6个位输入确定了其对应的输出在哪一行哪一列。例S3,S6S3100914631551131271142813709346102851412115113649815301112125101471101306987415143115212S61211015926801334147511101542712956113140113891415528123704101131164321295151011141760813例如，假设第6个S盒的输入（即异或函数的第31位到36位）为110

19、011。第1位和最后一位组合形成了11，它对应着第6个S盒的第三行。中间的4位组合在一起形成了1001，它对应着同一个S盒的第9列。S盒6的第三行第9列处的数是14（记住，行、列的记数均从0开始而不是从1开始），则值1110就代替了110011。2-3-5 S盒代替运算后的32位输出依照P盒进行置换。该置换把每输入位映射到输出位，任意一位不能被映射两次，也不能被略去，这个置换叫做直接置换。表2-7给出了每位移到的位置。表2-716720212912281711523265183110282414322739191330622114252-3-6 将P盒置换的结果与最初的64位分组的左半部分异或

20、，然后左、右半部分交换，接着开始另一轮。即异或P和LI-1结果放在RI，即RI=P XOR LI-1; LI=RI-1 ;从2-3-2处循环执行，直到K16被变换完成。2-3-7 组合变换后的R16L16，最终进行一次末置换，形成密文表2-8408481656246432397471555236331386461454226230375451353216129364441252206028353431151195927342421050185826331419491757252-4 desround模块desround模块执行DES算法中的一轮非线性变换。R（32）E R（48） K（48）异

21、或运算S1S2S3S4S5S6S7S8P 32位图3 desround一轮变换其作用过程如下：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。2-5 DES模块顶层模块des综合连接其余各模块。输入密钥、待加密数据的左半信号及右半信号，各经过一个两路数据选择器后连接到desround模块的数据输入端和密钥输入端，时钟在高电平时接收外部数据，低电平时由数据选择器选择输出数据，desround模块每轮变换后的输出密钥和数据，将被送到desround模块的输入端执行下一轮变换。16轮变换结束后，当时钟再次跳变为高电平时，模块对下一个明文分组进行加密。、参考文献1National Institute of Standard and Technology. Data Encryption Standard(DES)M. Federal Information Processing Standards Publication, 19992 刘艳萍，高振斌，李志军. EDA实用技术及应用M. 北京：国防工业出版社，20063 徐光辉，程东旭，黄如.基于FPGA的嵌入式开发与应