以 Verilog 描述 DES 加密算法 (电子书)
目录：
1. 简介
2. 非线性 S-box
3. 加密函数 Cipher function
4. Sub-Key 的产生
5. 整个加密流程
这里,我们是将整个算法拆解, 以 bottom-up 的方式, 逐一介绍它的原理与其 Verilog 的写法
简介
DES, Data Encryption Standard, 是一个相当普遍, 流传相当久远的算法,现在网络上常用的 SET, SSL, SSH 都是以 DES 为基础来执行加解密的动作
DES 加密函数可以用函数表示:
cipher[1:64] = des(plaintext[1:64], key[1:56])
它将 64bits 的输入用一个类似洗牌的交错动作产生 64bits 的输出, 与洗牌不同的是, 它还可以洗的回来
plaintext[1:64] = des_inverse(cipher[1:64], key[1:56])
也就是将 64bit 的输出再还原回原先的那 64bit,而这个洗牌动作的控制就在于那个 56bits 的 key
非线性 S-box
S-box 是整个算法唯一非线性的部分, 也被怀疑是美国政府留下后门的地方
在整个加密过程中, 会用到 8 个类似的 S-box, (如下图)
<shapetype id="_x0000_t75" stroked="f" filled="f" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" o:preferrelative="t" o:spt="75" coordsize="21600,21600"><stroke joinstyle="miter"></stroke><formulas><f eqn="if lineDrawn pixelLineWidth 0"></f><f eqn="sum @0 1 0"></f><f eqn="sum 0 0 @1"></f><f eqn="prod @2 1 2"></f><f eqn="prod @3 21600 pixelWidth"></f><f eqn="prod @3 21600 pixelHeight"></f><f eqn="sum @0 0 1"></f><f eqn="prod @6 1 2"></f><f eqn="prod @7 21600 pixelWidth"></f><f eqn="sum @8 21600 0"></f><f eqn="prod @7 21600 pixelHeight"></f><f eqn="sum @10 21600 0"></f></formulas><path o:connecttype="rect" gradientshapeok="t" o:extrusionok="f"></path><lock aspectratio="t" v:ext="edit"></lock></shapetype><shape id="_x0000_i1025" style="WIDTH: 344.25pt; HEIGHT: 247.5pt" alt="" type="#_x0000_t75"><imagedata o:href="http://www.icdiy.org/images/archive/des.gif" src="file:///C:%5CDOCUME~1%5CWast%5CLOCALS~1%5CTemp%5Cmsohtml1%5C02%5Cclip_image001.gif"></imagedata></shape>
其函数可表示为
Out[4] = S(In[6])
以 S1 为例子, 输出的 4bit, 由下表决定 由{In[1],In[6]}决定列数, {In[2:5]}决定行数
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
|
0 |
14 |
4 |
13 |
1 |
2 |
15 |
11 |
8 |
3 |
10 |
6 |
12 |
5 |
9 |
0 |
7 |
1 |
0 |
15 |
7 |
4 |
14 |
2 |
13 |
1 |
10 |
6 |
12 |
11 |
9 |
5 |
3 |
8 |
2 |
4 |
1 |
14 |
8 |
13 |
6 |
2 |
11 |
15 |
12 |
9 |
7 |
3 |
10 |
5 |
0 |
3 |
15 |
12 |
8 |
2 |
4 |
9 |
1 |
7 |
5 |
11 |
3 |
14 |
10 |
0 |
6 |
13 |
用 verilog 写来的模块如下
module sbox1(addr, dout);
input [1:6] addr;
output [1:4] dout;
reg [1:4] dout;
always @(addr) begin
case ({addr[1], addr[6], addr[2:5]}) //synopsys full_case parallel_case
0: dout = 14;
1: dout = 4;
2: dout = 13;
3: dout = 1;
...
62: dout = 6;
63: dout = 13;
endcase
end endmodule
其实从硬件的角度来看 S-box 就是一个 64x4 的 ROM
加密函数 Cipher function
现在, 接着介绍 S-BOX 如何应用于整个加密函数
整个 DES 函数 64 bits 的输入数据和 56 bits 的 key 经过一些前处理后得到
32 bits 的输入数据 R 和 48 bits 的 sub-key K 输入此加密函数
下图是整个加密函数方块图
<shape id="_x0000_i1026" style="WIDTH: 344.25pt; HEIGHT: 247.5pt" alt="" type="#_x0000_t75"><imagedata o:href="http://www.icdiy.org/images/archive/des.gif" src="file:///C:%5CDOCUME~1%5CWast%5CLOCALS~1%5CTemp%5Cmsohtml1%5C02%5Cclip_image001.gif"></imagedata></shape>
首先, 32 BITS 的数据 R 先经过一个延伸表 E (如下表) 转为 48 BITS
32 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
24 |
25 |
26 |
27 |
28 |
29 |
28 |
29 |
30 |
31 |
32 |
1 |
例如, 第一个 BIT 放 R[32], 第二个 BIT 放font-size: 10pt; color: black; fo