DES加密IP的优化设计

论文摘要

随着Internet的广泛应用,以及个人通信、多媒体通信、办公自动化、电子邮件、电子自动转账支付系统和自动零售业务网的建立与实现,信息的安全保护问题就显得更加重要,人们对数据传送的实时性、安全性要求也随之加强,进而产生了许多算法对网络中传输的数据进行加密和解密。DES(Data Encryption Standard)是目前应用得最广的分组对称密码算法。DES最早是由IBM公司在70年代提出的,经过政府的加密标准筛选后,于1976年被美国政府采用,随后被美国国家标准局和美国国家标准协会承认,发展至今成为工业界的标准密码算法。传统的DES加密器件着眼于面积最小化,按照循环迭代的方式加密解密,速度较低。现代网络与通信技术高速发展,对信息安全提出了更高的要求,实现高速可靠的数据加密越来越重要。近年来随着旁路攻击SCA(Side Channel Attack)这种依靠加密过程中泄露的功耗、时间与电磁辐射等物理信息来破解密钥的分析方式被提出,加密器件的安全性问题也变得越来越紧迫。因此加密芯片设计中急需增加对旁路攻击的防护。本文在介绍了DES加密算法以及差分功耗攻击DPA的原理和方法后,我们以速度优先为原则,结合抗DPA技术,根据DES算法自身的特点,运用流水线技术,采用并行处理,实现了高速的DES加解密运算。同时考虑到接口技术也是制约加密速度的重要因素后,我们又结合加密器件实际的工作方式,对本设计进行了结构和接口上的优化,从而提高了加密IP的工作效率。最后本文借助软件仿真工具完成了对设计的功能性验证。同时采用FPGA的方法对DES进行了抗DPA攻击性能的验证。通过这两种方法的验证,最大程度的保证了设计的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 密码学简介
• 1.2 密码学的发展
• 1.3 研究的必要性
• 1.4 本文内容
• 第2章 密码学基础和DES 加密标准
• 2.1 密码学概论
• 2.1.1 密码学基本概念
• 2.1.1.1 密码学的作用
• 2.1.1.2 算法和密钥
• 2.1.2 密码算法的分类
• 2.1.2.1 序列密码
• 2.1.2.2 分组密码
• 2.1.2.3 公共密钥密码
• 2.1.3 密码算法的安全性
• 2.1.3.1 密码分析
• 2.1.3.2 算法的安全性
• 2.2 密码算法的实现方法
• 2.2.1 软件加密
• 2.2.2 硬件加密
• 2.3 DES 数据加密标准
• 2.3.1 DES 加密
• 2.3.1.1 初始置换
• 2.3.1.2 单轮变换的详细过程
• 2.3.1.3 密钥产生
• 2.3.2 DES 解密
• 2.3.3 DES 的设计原理
• 2.3.3.1 S 盒的设计准则
• 2.3.3.2 置换P 的准则如下
• 2.3.4 3DES 算法
• 第3章 差分功耗攻击
• 3.1 CMOS 电路的功耗特性及功耗模型
• 3.1.1 CMOS 的功耗特性
• 3.1.2 CMOS 功耗模型
• 3.2 功耗分析基础
• 3.2.1 简单功耗攻击（SPA）
• 3.2.2 差分功耗攻击DPA
• 3.2.2.1 DPA 概述
• 3.2.2.2 DPA 攻击流程
• 3.2.2.3 DPA 的特点
• 3.3 DPA 针对DES 的攻击
• 3.3.1 攻击步骤
• 3.3.2 攻击实例
• 第4章 差分功耗攻击的防范技术
• 4.1 增加噪音技术
• 4.2 乱序技术
• 4.3 异步电路技术
• 4.4 冗余编码技术
• 4.5 MASK 技术
• 4.5.1 Mask 的原理
• 4.5.2 Mask 的实现
• 4.5.2.1 冗余通道技术
• 4.5.2.2 Mask 技术
• 4.5.3 Mask 的证明
• 第5章 DES 优化设计
• 5.1 集成电路（IC）的流行设计方法
• 5.1.1 自下而上的设计方法
• 5.1.2 自顶向下的设计方法
• 5.1.3 综合设计方法
• 5.2 DES 引擎设计
• 5.2.1 设计思想
• 5.2.1.1 数据通道
• 5.2.1.2 密钥通道
• 5.2.1.3 Mask 通道
• 5.2.2 密钥的生成
• 5.2.3 抗DPA 的DES 设计
• 5.2.4 S 盒的优化
• 5.3 加密硬件接口
• 5.3.1 制约网络通讯性能的因数
• 5.3.2 当前的接口以及其不利因素
• 5.3.3 解决方法
• 5.3.3.1 端对端方式
• 5.3.3.2 DMA 方式
• 5.3.3.3 两种方法的结合
• 5.4 DES 接口设计
• 5.4.1 输入缓冲区
• 5.4.2 输出缓冲区
• 5.4.2.1 软拷贝模式
• 5.4.2.2 DMA 模式
• 5.4.2.3 本设计采用的方法
• 5.5 AHB 总线接口
• 5.5.1 AHB 总线简介
• 5.5.2 AHB 总线系统互连结构
• 5.5.3 AHB 信号描述
• 5.5.3.1 AHB 全局信号
• 5.5.3.2 AHB 仲裁信号
• 5.5.3.3 AHB 控制信号
• 5.5.3.4 AHB 传输响应（Response）信号
• 5.5.3.5 AHB 数据总线
• 5.5.3.6 AHB SPLIT 能力信号
• 5.5.4 AHB 基本传输
• 5.5.5 AHB 传输类型
• 5.5.6 AHB 猝发操作
• 5.5.7 AHB 传输响应
• 5.5.7.1 传输响应类型
• 5.5.7.2 两个周期的响应
• 5.5.7.3 分裂（SPLIT）与重试（RETRY）比较
• 5.5.8 AHB 仲裁协议
• 5.5.8.1 请求总线访间
• 5.5.8.2 授权总线访问
• 5.5.8.3 猝发传输提前终止
• 5.5.8.4 锁定传输
• 第6章 仿真和验证
• 6.1 设计的正确性验证
• 6.2 设计的安全性验证
• 6.2.1 实验环境的搭建
• 6.2.1.1 CUT 模块
• 6.2.1.2 示波器模块
• 6.2.1.3 PC 模块
• 6.2.2 示波器采集原理
• 6.2.3 波形采集
• 6.2.3.1 设置示波器
• 6.2.3.2 读取数据
• 6.2.3.3 数据计算
• 6.2.4 攻击流程
• 6.2.5 实验结果与分析
• 第7章 总结与展望
• 参考书目
• 附录 测试向量
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文