基于FPGA的DES混沌加密算法实现与改进

摘要

DES（Data Encryption Standard，数据加密标准）加密算法自上世纪70年代发布至今，经历了长期的考验，是迄今为止应用最为广泛的分组加密算法。实际应用中除穷举法外并未发现其它快速破解的方法的成功案例。DES算法本身在加/解密过程和密钥生成过程中只需要运用的逻辑运算和查表运算，其数学计算并不复杂，所以，采用硬件实现的方案既能优化系统性能也能提升加/解密速度。
　　 DES加密算法软件实现加密速度较低，而且加密过程中可能出现密钥暴露的问题，其硬件实现越来越受到重视。FPGA可以实现大规模电路，而且编程灵活、设计开发周期短、开发工具先进、设计成本低。开发出来的产品质量稳定还可以实时在线检测。因此本文对基于FPGA的DES加密算法进行了研究和实现。
　　 DES加密算法存在密钥短、密钥空间不足的问题。随着计算机硬件技术以及密码分析学的进步，DES加密算法的安全性受到较大的威胁。而DES算法的安全性主要依赖于对密钥的安全保护，随着混沌学的发展，“混沌密码”的研究受到更多人的关注。本文利用混沌系统的特性，结合DES加密算法的特性，开展基于混沌系统的DES密钥生成算法的研究。
　　 主要研究工作如下:
　　 (1)对DES算法的现状进行了深入分析，对DES算法的基本原理作了深入的研究，结合对混沌学中混沌系统与混沌密码的研究，为实现基于FPGA的DES算法系统和设计基于Logistic混沌系统的DES算法奠定基础。
　　 (2)采用Actel公司的ProASIC3/E系列的A3P1000器件对DES算法进行了硬件实现，为混沌加密系统的性能分析做了充分的准备。在实现过程中，经过对性能与系统资源占用量的综合考虑，设计了一种具有三级流水线结构的密码生成模块。DES算法的S盒无论对于算法还是硬件性能都至关重要，本文实现了一种由ROM实现的S盒设计，以提高硬件实现的性能。
　　 (3)提出一维的Logistic混沌模型产生密钥的DES密码系统。对该Logistic混沌模型进行了详细的研究，并通过仿真验证证明了其良好的混沌性能。对使用Logistic混沌模型产生密钥作了讨论，通过在Matlab R2012b上的仿真验证，证明了该密码系统的可行性。通过对加密例子的对比以及对实验结果的定性分析，证明了设计对DES算法的有益改进。

目录

摘要

CONTENTS

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 DES算法研究现状

1．2．2 DES算法实现现状

1．2．3 混沌学的研究现状

1．3 论文的主要工作

1．4 论文的内容结构

第二章 密码系统与混沌系统相关技术分析

2．1 DES算法原理分析

2．1．1 初始序列变换

2．1．2 子密钥的生成

2．1．3 16轮迭代运算

2．1．4 F函数

2．2 混沌系统特征分析

第三章 基于FPGA的DES算法实现

3．1 系统开发平台

3．2 DES加密系统设计

3．2．1 核心DES加密模块设计方案

3．2．2 UART通信接口设计方案

3．2．3 BlockRAM存储模块设计方案

3．2．4 系统设计实现的功能

3．3 DES加密模块的实现

3．3．1 DES加密模块整体设计结果

3．3．2 核心DES加密功能块的实现

3．4 基于ModelSim仿真的功能验证

3．4．1 功能仿真

3．4．2 性能分析

第四章 DES混沌算法的设计

4．1 Logisitic混沌系统特性

4．1．1 Lyapunov指数

4．1．2 初值敏感性

4．1．3 频数检验

4．2 基于Logistic混沌系统的DES算法设计

4．3 使用改进DES算法的仿真实例

4．4 实验结果分析

4．4．1 密钥空间分析

4．4．2 安全性分析

4．4．3 系统不足

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢