基于3DES算法的SRAM工艺FPGA加密设计

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1、基于3DES算法的SRAM工艺FPGA加密设计鲁国斌2011年12月第42卷第4期(总第146期)基于3DES算法的SRAM工艺FPGA加密设计鲁国斌1’2(1．南京航空航天大学信息科学与技术学院，南京210016；2．中国航空无线电电子研究所，上海200233)[摘要]本文提出了一种基于3DES算法的SRAM工艺FPGA加密设计方法，并详细描述了3DES加密算法的模型以及其硬件设计过程，最后给出3DES加密算法的硬件实现仿真时序图以及在FPGA中的实现结果。[关键词]数据加密标准；静态随机存储

2、器；现场可编程逻辑阵列；复杂可编程逻辑器件；高速集成电路硬件描述语言【中图分类号]TP302．2【文献标识码】A【文章编号]1006-141X(2011)04—0041-04Designof3DESArithmeticEncryptionforSRAMTechniqueFPGALUGuo-binl'2(1．CollegeofInformationScienceandTechnology，NUAA，Nanjing210016，China；L2．ChinaNationalAeronauticalRa

3、dioElectronicsResearchInstitute，Shanghai200233，Chin)Abstract：3DESarithmeticencryptionmethodforSRAMtechniqueFPGAisintroducedinthispaper．Itdescribesthemodelofthe3DESarithmeticencrypfionandtheprocessof3DEShardwaredesignindetail．Finally,the3DESarithmetic

4、eneryptsimulationtimingdiagramandtheresultofimplementationOllFPGAarepresentedinthepaper．Keywords：dataencryptionstandard(DES)；staticrandomaccessmemory(SRAM)；fieldprogrammablegatearray(FPGA)；complexprogmmnmblcIogicaevice(CPLD)；VHSIChardwaredescriptionl

5、anguage(VHDL)1引言在现代电子设计中，由于可编程逻辑器件的卓越性能、方便灵活的可升级特性，以FPGA为代表的可编程逻辑器件正得到越来越广泛的应用。但是大规模高密度可编程逻辑器件多采用SRAM工艺，掉电后会丢失配置数据，失去FPGA中设计的逻辑功能，因此每次上电时都要对FPGA器件进行重新配置，这就使得可以通过监视配置的位数据流方法对FPGA设计数据进行复制，用于配置其它非授权的FPGA，从而进行设计电路的窃取。由此可见，在关键、核心设备的FPGA电路中，采用加密技术．41．保护设计者

6、的知识产权就显得尤为必要。2SRAM工艺FP(认加密方法目前对SRAM工艺的FPGA进行配置主要有三种方法：由计算机通过下载电缆配置、用专用FPGA配置芯片配置和用非易失存储器加微控制器的方法配置。上述三种方法在配置时都需要将配置的比特流数据按照确定的时序写入FPGA中，因此，采用一定的电路对配置FPGA的数据引脚进行采样，即可得到配置数据流信息。利用记录下来的配置数据流可对另一块FPGA芯片进行配置，就实现了对FPGA内部设计电路的复制。December2011V01．42No．4(seria

7、lNo．146)航空电子技术AVIONICSTECHNOLOGY由于上电时的配置数据可以被复制，因此单独的一块FPGA芯片无法实现有效加密。由于FPGA芯片供应商对位配置数据流的定义是不公开的，所以无法通过外部的配置数据流信息推测内部电路的设计。为此在配置完成后使FPGA中核心电路处于非工作状态，利用另外一块保密性较强的芯片产生密码验证信息与FPGA进行信息交互，只有在验证成功的情况下才能使FPGA中应用电路正常工作，否则FPGA中应用电路会停止工作，这样才能实现对FPGA设计的加密。CPLD芯

8、片可采用Flash工艺，其保密性比较高，一般难以破解，因此采用CPLD来对FPGA进行加密是一种比较常用并且可靠的方法。加密电路的工作原理是：在CPLD和FPGA中设计一种加密电路，在系统上电或复位时进行加密信息的通信，FPGA中加密电路随机产生一个验证码(即明文)，通过串行总线传送给CPLD中的加密电路，CPLD中加密电路对验证码运行加密算法(固定密钥)后将加密的验证码(即密文)传回FPGA中，FPGA中加密电路将自身产生的验证码(即明文)也进行加密算法(固定密钥)，并将运算的结果(即密文)与