基于FPGA的DES、3DES硬件加密技术

方案的验证及性能
调试的过程中用到SignalTap，SignalTap宏功能是一种嵌入式逻辑分析器，能够在器件的特定触发点捕获数据并保存到FPGA的嵌入式系统块中。这些数据被送到JTAG接口，通过ByteBlaster II 下载电缆上传到quartus II波形编辑器中进行显示。图4为在调试过程中用SignalTap捕捉到的3DES运算的时序，平均18个时钟周期处理完一个数据分组（64bit）。图5为DES运算的时序，平均36个时钟周期处理完一个数据分组（256bit）。
最终调试DES、3DES算法加解密成功后，将Quartus II 7.2编译生成的编程文件通过下载电缆ByteBlaster II下载到我们的试验板卡上。在Windows XP的系统下，用VC的环境编写出了测试程序和驱动程序，最终测得DES加解密的速度是：230Mb/s；3DES加解密的速度是：120Mb/s。

图4 3DES时序波形图

图5 DES时序波形图

注意事项
用SignalTap进行调试的过程中，要使采样频率大于被测信号的最高频率，否则无法正确反映被测信号的波形变化。由于系统的输入最高频率为50MHz，为了调试正确，利用了FPGA的锁相环对输入时钟进行倍频，从而用100MHz的信号作为采样频率。另外需要设置合适的触发点及采样深度。

系统优缺点分析及改进方法
优点：设计过程中采用了状态机和流水线技术，提高了数据的加解密速度；另外采用FPGA使得设计比较灵活，各模块均用了硬件描述语言编码实现。

不足之处：DES曾被人利用网络计算采用穷举攻击的方法破解过，目前也已经设计出采用穷举攻击在4小时内破解DES的机器。DES本身虽已不再安全，但在数据对安全性要求不高的场合仍然广泛使用着，其改进算法3DES的安全性还是相当强的。

系统改进方法：在要求安全性高的场合，可以采用安全性更高的算法（如AES等）来替换DES。