利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)RC6算法的設(shè)計(jì)與研究

引 言

　　RC6是作為AES(Advanced Encryption Standard)的候選算法提交給NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局)的一種新的分組密碼。它是在RC5的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，以更好地符合AES的要求，且提高了安全性，增強(qiáng)了性能。根據(jù)AES的要求，一個(gè)分組密碼必須處理128位輸入／輸出數(shù)據(jù)。盡管RC5是一個(gè)非常快的分組密碼，但它處理128位分組塊時(shí)用了2個(gè)64位工作寄存器；而AES目前在講究效率和簡(jiǎn)潔方面不支持64位操作，于是RC6修正這個(gè)錯(cuò)誤，使用4個(gè)32位寄存器而不是2個(gè)64位寄存器，以更好地實(shí)現(xiàn)加解密。利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)RC6算法，可以提高運(yùn)算速度。芯片設(shè)計(jì)為RC6算法處理器，輔助計(jì)算機(jī)處理器完成加解密操作，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)加解密的分析和研究。因此，此芯片可以作為協(xié)處理器來(lái)看待。

　　1 RC6算法

　　1.1 RC6算法概述

　　RC6秉承了RC5設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、廣泛使用數(shù)據(jù)相關(guān)的循環(huán)移位思想，同時(shí)增強(qiáng)了抵抗攻擊的能力，改進(jìn)了RC5中循環(huán)移位的位數(shù)不依賴于寄存器中所有位的不足。RC6新的特色是輸入的明文由原先2個(gè)區(qū)塊擴(kuò)展為4個(gè)，另外在運(yùn)算方面則是使用了整數(shù)乘法，而整數(shù)乘法的使用則在每一個(gè)運(yùn)算回合中增加了擴(kuò)散(diffusion)的行為，并且使得即使很少的回合數(shù)也有很高的安全性。同時(shí)，RC6中所用的操作可以在大部分處理器上高效率地實(shí)現(xiàn)，提高了加密速度。RC6是一種安全、架構(gòu)完整而且簡(jiǎn)單的區(qū)塊加密法。它提供了較好的測(cè)試結(jié)果和參數(shù)方面相當(dāng)大的彈性。RC6可以抵抗所有已知的攻擊，能夠提供AES所要求的安全性，可以說(shuō)是近幾年來(lái)相當(dāng)優(yōu)秀的一種加密法。

　　RC6不再使用2個(gè)64位工作寄存器，而是用4個(gè)32位寄存器。這就使得在每次循環(huán)中要進(jìn)行2次循環(huán)移位操作，讓更多的數(shù)據(jù)位來(lái)決定循環(huán)次數(shù)。RC6把明文分別存在4個(gè)區(qū)塊A、B、C、D，剛開(kāi)始分別包含明文的初始值，加密運(yùn)算后則為4個(gè)密文的輸出值。

　　1．2 RC6的工作原理

　　RC6是參數(shù)變量的分組算法，實(shí)際上是由3個(gè)參數(shù)確定的一個(gè)加密算法族。一個(gè)特定的RC6可以表示為RC6一w／r／b，3個(gè)參數(shù)w、r和b分別為字長(zhǎng)、循環(huán)次數(shù)和密鑰長(zhǎng)度。AES中，w=32，r=20。本設(shè)計(jì)中，密鑰長(zhǎng)度b為128位(16字節(jié))。RC6用4個(gè)w位的寄存器A、B、C、D來(lái)存放輸入的明文和輸出的密文。明文和密文的第一個(gè)字節(jié)存放在A的最低字節(jié)，經(jīng)過(guò)加解密后，得到的明文和密文的最后一個(gè)字節(jié)存放在D的最高字節(jié)。

　　1．2．1 RC6一w／r／b基本運(yùn)算

　　基本運(yùn)算共有如下6種：①模2w加算運(yùn)算，表示為“+”；②模2w減法運(yùn)算，表示為“一”；③逐位異或運(yùn)算，表示為“⊕”；④循環(huán)左移，字a循環(huán)左移b位表示為“a<<>>b”；⑥模2w乘法，表示為“×”。

　1．2．2 RC6一w／r／b加密算法

　　輸入：明文存放在4個(gè)w位輸入寄存器A、B、C、D

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　　式中：e一2．782 818 284 59…(自然對(duì)數(shù));φ=1．618 033 988 749…(黃金分割)

　　當(dāng)w分別為16、32、64時(shí)，常數(shù)Pw、Qw分別如表1所列。在本設(shè)計(jì)中，w=16，輸入為128位的主密鑰，得到的是44個(gè)32位子密鑰。

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　　2 RC6加解密算法協(xié)處理器設(shè)計(jì)

　　2．1 RC6協(xié)處理器的頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　RC6協(xié)處理器包含以下3個(gè)模塊：加解密模塊，加解密函數(shù)模塊和ROM模塊。頂層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　加解密模塊：包括輸入和輸出、加／解密選擇、狀態(tài)機(jī)，以及函數(shù)調(diào)用聲明和ROM調(diào)用取址。用于輸入128位明文或密文，并且利用一個(gè)狀態(tài)機(jī)定義程序順序執(zhí)行和保證循環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)ROM的44個(gè)子密鑰讀取，以及將數(shù)據(jù)輸入函數(shù)中進(jìn)行處理。由于輸入ROM的地址是在一個(gè)時(shí)鐘控制下，子密鑰數(shù)據(jù)的輸出有一定的延時(shí)，所以利用一個(gè)控制變量cnt實(shí)現(xiàn)地址提前一個(gè)時(shí)鐘左右輸入ROM，ROM接收到后輸出子密鑰，使在進(jìn)行數(shù)據(jù)加解密處理時(shí)，已經(jīng)有準(zhǔn)備好的子密鑰調(diào)用。

　　加解密函數(shù)模塊：利用work用戶自定義函數(shù)庫(kù)，定義算法中用到的函數(shù)。其中包括5個(gè)函數(shù)，分別是：RFunct、afunct、cfunct、lshift、rshift。頂層文件循環(huán)調(diào)用此函數(shù)21次，進(jìn)行加解密運(yùn)算。

　　ROM模塊：先在QuartusII里面將預(yù)定義的子密鑰輸入rc6keyrom．mif文件中，調(diào)用QuartusII的MegaWizardPlug—In Manager，自動(dòng)生成ROM，供頂層文件調(diào)用。需要提前利用QuartusII建立一個(gè)．mif文件，將子密鑰的數(shù)據(jù)輸入。

　　2．2 RC6協(xié)處理器的頂層原理圖

　　如圖2所示，基于FPGA的RC6算法協(xié)處理器分3個(gè)模塊：頂層模塊、RC6加解密函數(shù)模塊和ROM模塊。共有260個(gè)I／0口，包括131輸入端口和129個(gè)輸出端口。

　2．3 各模塊的功能及實(shí)現(xiàn)

　　2．3．1 ROM模塊

　　圖3為QuartusII自動(dòng)生成的ROM模塊。ROM取址需要由加解密模塊提供地址輸入，然后輸出子密鑰。輸入地址為address[4．．0]，輸出為q[63．．0]兩個(gè)子密鑰一起輸出到主程序中進(jìn)行。

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　　ROM模塊在輸入地址和得到子密鑰數(shù)據(jù)之間，有一定的延時(shí)，從地址“00”輸入，開(kāi)始讀取到輸出子密鑰總時(shí)間約一個(gè)時(shí)鐘周期左右。所以在主函數(shù)調(diào)用ROM時(shí)，需提前1～2個(gè)時(shí)鐘輸入地址。

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　　由以上5個(gè)函數(shù)和加解密控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)此算法的一次計(jì)算。主函數(shù)將需要進(jìn)行計(jì)算的128位數(shù)據(jù)da—tain、2個(gè)子密鑰keyl和key2，以及加解密控制信號(hào)輸入到RFunct函數(shù)里；函數(shù)rfunct將其分配到a、b、c、d四個(gè)寄存器，計(jì)算b=(b+b+1)×b和d=(d+d+1)×d；然后調(diào)用左移函數(shù)計(jì)算templ=b<<<5和temp2=d<<<5，調(diào)用afunct和cfunct計(jì)算a和c，再重組a、b、c、d為dataout，結(jié)束運(yùn)算后輸出dataout。

　　2．3．3 加解密控制模塊

　　如圖4所示，RC6加解密端口定義為：

　　輸入端口

• 　　reset：復(fù)位信號(hào)，高電平有效。
• 　　clk：工作時(shí)鐘。
• 　　zset：加解密選擇信號(hào)，高電平為加密操作，反之則為解密操作。
• 　　keyin[63．．O]：從ROM輸入的子密鑰輸入。
• 　　datain[127．．O]：待加解密數(shù)據(jù)的輸入端。

　　輸出端口

• 　　flag：加解密結(jié)束信號(hào)，高電平有效。
• 　　keyad出[4．．O]：向ROM輸入5位的地址信號(hào)。
• 　　dataout[127．．O]：RC6加解密模塊輸出的128位加解密后的數(shù)據(jù)。

　　模塊功能

　　從ROM模塊中，接收包含2個(gè)子密鑰的數(shù)據(jù)keyin，并在前32位和后32位分別為一個(gè)32位子密鑰，根據(jù)zset信號(hào)對(duì)密鑰和數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密操作。

　　在主程序中利用一個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)加解密運(yùn)算：第1個(gè)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步處理，將128位數(shù)據(jù)分成4個(gè)32位數(shù)據(jù)保存在a、b、c、d這4個(gè)寄存器中；第2個(gè)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步運(yùn)算，將結(jié)果保存在128位寄存器data中；第3個(gè)狀態(tài)和第4個(gè)狀態(tài)控制循環(huán)運(yùn)算與ROM進(jìn)行20次交互，一邊接收ROM子密鑰數(shù)據(jù)，一邊對(duì)data進(jìn)行運(yùn)算，最后一個(gè)狀態(tài)，接收最后2個(gè)密鑰，進(jìn)行最后的加解密運(yùn)算，得到新的a、b、c、d，重新組合成加／解密后的數(shù)據(jù)，將其輸出。

　　2．3．4 加解密頂層模塊

　　RC6加解密算法的頂層模塊包括了加解密控制模塊和ROM模塊。輸入／輸出信號(hào)描述如下：

　　輸入信號(hào)

• 　　reset：復(fù)位信號(hào)，高電平有效。
• 　　clk：工作時(shí)鐘。
• 　　zset：加解密選擇信號(hào)，高電平加密操作，反之則為解密操作。
• 　　datain［l27．．0]：待加／解密數(shù)據(jù)的輸入端。

　　輸出信號(hào)

• 　　flag：加解密結(jié)束信號(hào)，高電平有效。
• 　　dataout［l27．．0]：128位加解密后得到的數(shù)據(jù)。

　　此加解密模塊需要260個(gè)I／0端口，如果加入串口通信，可將128位的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)分別利用l位的輸入端口和1位的輸出端口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，非常方便。

　　2．4 仿真結(jié)果分析

　　圖5為RC6加解密算法的功能仿真圖，輸入和輸出是128位。當(dāng)輸入明文為128位全零數(shù)據(jù)時(shí)，得到的加密結(jié)果是36A5C38F78F781564EDF29C11EA44898，解密結(jié)果是全零。另外，還測(cè)試了其他的一些數(shù)據(jù)，根據(jù)官方公布的標(biāo)準(zhǔn)，此加解密模塊功能正確。

　　在進(jìn)行仿真時(shí)，RC6加解密模塊工作時(shí)鐘周期為100ns，頻率為10 MHz。從reset低電平開(kāi)始后的第一個(gè)時(shí)鐘上升沿(0．45μs)，至加解密運(yùn)算結(jié)束并輸出結(jié)束信號(hào)flag(上升沿，8．958 376μs)，總共耗時(shí)約為8．5μs。

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圖5? RC6加解密算法功能仿真圖

　　結(jié) 語(yǔ)

　　本文基于FPGA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了RC6算法。整個(gè)設(shè)計(jì)包括加解密函數(shù)模塊、加解密控制模塊、ROM模塊、UART模塊、輸入／輸出控制模塊等，通過(guò)軟件的仿真，并將程序下載到FPGA芯片進(jìn)行硬件調(diào)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和有效性。