混沌变形DES算法的FPGA设计与实现

论文摘要

随着信息技术的发展和计算机网络的普及,信息安全显得尤为重要。考虑到传统密码学的不足和密码分析者破解水平的不断提升,基于混沌的数据加密技术正成为当前密码学研究的一大热点,并有可能成为密码学新的发展方向。DES作为传统分组密码算法的典型代表,存在密钥空间太小的致命弱点,在穷举密钥攻击下被破译。针对DES密钥空间过小而不能抵抗穷举攻击的问题,本文给出了一种基于混沌映射的密钥空间拓展方法,从而构造了一种混沌变形DES算法。密钥空间拓展方法基于三条原理:Shannon的“一次一密”,“无限密钥空间”及混沌映射系统可构造一个确定性的随机数发器。基于切延迟椭圆反射腔映射混沌系统（TD-ERCS）已被理论分析和测试证明具有良好的密码学性质。利用TD-ERCS混沌系统可产生高度安全的伪随机序列这一特性,将DES的密钥空间从256拓展至2160,从而构成一种近似“一次一密”的混沌变形DES算法,极大地提高了DES抗穷举密钥攻击的能力。基于这种混沌变形DES算法,提出了以现场可编程门阵列（FPGA）为平台的硬件设计实现方案,依据自顶向下的模块设计方法,根据其特有硬件结构,采用硬件描述语言（VHDL）完成了整个系统的设计,通过了仿真与适配,完成了硬件调试;详细地论述了系统总体框架及内部模块设计,重点介绍了数据分配器和DES算法实现单元的设计,并在系统中设计加入了异步串行接口,完善了整个系统的模块化,可使系统嵌入到现有的各类密码系统与设备中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 术语缩略对照表
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 密码学概述
• 1.1.2 数据加密标准发展过程
• 1.2 数据加密标准DES研究现状
• 1.2.1 算法研究
• 1.2.2 硬件实现研究
• 1.3 论文研究意义
• 1.4 论文研究内容及论文结构
• 第二章 混沌变形DES算法
• 2.1 数据加密标准DES算法原理
• 2.1.1 算法原理简介
• 2.1.2 初始置换
• 2.1.3 16轮运算
• 2.1.4 子密钥生成
• 2.1.5 逆初始置换
• 2.2 TD-ERCS混沌系统
• 2.3 混沌变形DES算法原理
• 2.3.1 Shannon的"一次一密"理论
• 2.3.2 分组密码密钥空间拓展原理
• 第三章 开发语言与开发环境介绍
• 3.1 硬件描述语言
• 3.2 QUARTUS Ⅱ开发环境
• 3.3 芯片选择
• 3.4 硬件平台
• 3.5 设计方法
• 第四章 混沌变形DES算法的FPGA整体设计
• 4.1 FPGA实现系统分析
• 4.1.1 硬件实现方法分析
• 4.1.2 性能参数
• 4.1.3 关键技术
• 4.2 混沌变形DES整体结构设计
• 4.2.1 总体设计方案
• 4.2.2 整体系统结构框图
• 4.2.3 系统主控流程
• 第五章 混沌变形DES算法的FPGA模块设计与仿真
• 5.1 UART控制器
• 5.2 CPRSG
• 5.2.1 初始值缓存分配器
• 5.2.2 TD-ERCS算法实现单元
• 5.3 数据分配器
• 5.3.1 明文缓存分配器
• 5.3.2 密钥分配器
• 5.4 DES算法实现模块
• 5.4.1 运算模块
• 5.4.2 S盒设计
• 5.4.3 子密钥产生模块
• 5.4.4 控制模块
• 5.4.5 DES算法模块仿真
• 5.5 结果序列缓存转换器
• 第六章 系统仿真性能测试与结果分析
• 6.1 系统仿真性能测试
• 6.2 实验结果分析
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 研究课题展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果