带ASI接口的DES数据加密器与信道外编码

摘要

数据加密标准DES(Data Encryption Standard)加密算法的出现是密码学历史上的一个重要事件，它是密码学历史上第一个广泛应用于数据保密的公开的密码算法，它开创了公开密码算法的先例。在1976年成为加密标准后到今天，经过长时问的考验，实践证明DES算法的安全性能满足绝大多数系统安全性的要求，到目前为止除了用穷举搜索法强力穷举搜索整个密钥空间外，还没有发现更好的方法能够破译。 本文设计了一种应用于某移动通信系统的数据加密器，实现了按帧对TS流数据的DES加密，该系统的设计是基于FPGA芯片EPlC6T144C8，采用Veijlog HDL硬件描述语言进行电路设计。根据所应用系统的要求，待加密数据TS流的输入，加密后数据TS流的输出都得通过ASI(Asynchronotls Serial Iinterface)接口，所以本系统还包括了ASI接口的接收、发送电路，将从ASI接口来的数据TS流送入FPGA进行DES加密处理，再将处理完的数据从FPGA中通过ASI发送出去。在对输入TS流的加密过程中，为了便于加密器后续模块的处理，每个数据帧的包头不应被加密，因此将除去包头4个字节后剩下的184个字节分为每8个字节一组，8个字节就是64位，恰好满足DES算法64位数据输入的要求。待加密完成后，加密后的数据与包头未加密的4个字节合并，并且根据输入的先后顺序按字节送往ASI输出模块。DES加密算法是一个对称密码体制，其所有的保密性均依赖于密钥，一旦出现密钥泄漏的情况，就必须修改。为了便于在应用的过程中随时修改密钥，还在加密器电路板上设计了FPGA与电脑RS232接口的串口通信电路，这样就可以通过电脑的RS232接口，方便的修改系统的密钥。经过联试，加密器对传输的数据加密、解密工作正常，加密速度可达192Mbps，远远超过了32 Mbps的系统要求，达到了预期的目标。 在本文的最后介绍了RS编码、交织编码、能量分散的原理、概念和应用，通过RS纠错编码能纠正信道中发生的随机离散错误，交织使数据按一定的规律分散发送，把突发性干扰信道改造成随机性干扰信道，提高纠错能力，能量分散能使数据码流中“0”与“1”出现的概率基本相等，便于接收端提取出比特时钟。根据Rs和交织编码以及能量分散的原理，本文利用硬件描述语言Verflog HDL设计了基于FPGA的RS(204，188)纠错编码、I=12，M=17交织编码和能量分散的硬件电路，并通过嵌入式逻辑分析仪signalTap Ⅱ对硬件进行测试，验证了设计的正确性。为公司下一步开发信道编码功能模块打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1密码系统的概念

1.2密码体制的分类

1.3课题来源及所做的工作

1.3.1课题来源

1.3.2国内外研究动态与发展

1.3.3作者的主要工作

第二章DES加密算法原理

2.1 DES算法描述

2.2 DES算法运算的各阶段

2.2.1初始置换IP以及末置换IP-1

2.2.2 16次迭代变换

2.2.3 DES算法子密钥的生成

第三章DES算法的FPGA设计

3.1 FPGA设计技术

3.1.1 FPGA简介与设计流程

3.1.2 Verilog HDL

3.1.3嵌入式逻辑分析仪SignalTapⅡ

3.1.4 CYCLONE系列器件概述

3.2 FPGA器件EP1C6T144C8的设计

3.2.1电源

3.2.2时钟

3.2.3配置

3.3 DES加密器的FPGA设计

3.3.1需加密数据包的结构

3.3.2 DES加密器的FPGA设计

3.4 UART接口的设计

3.4.1异步串行接口

3.4.2应用EEPROM

3.4.3单片机与RS232、FPGA的接口程序设计

第四章ASI接口的设计

4.1 ASI接口介绍

4.2 8B/10B编码

4.3 ASI接口的设计

4.3.1 ASI接口接收部分的设计

4.3.2 ASI接口发送部分的设计

4.4 DES加密器的验证

第五章信道编码

5.1 RS编码

5.1.1代数基本理论

5.1.2编码基本理论

5.1.3 RS(204，188)编码

5.2交织器的设计

5.2.1交织的基本原理

5.2.2交织器的具体实现

5.3能量分散

第六章结论

致谢

参考文献

附录

在学期间的研究成果