基于FPGA密码技术的设计与应用

目 录

第1章 密码学简介 （1）

1.1 引言 （1）

1.2 密码学和现代密码学 （2）

1.2.1 传统密码体制 （2）

1.2.2 现代密码学 （5）

1.3 密码技术 （7）

1.3.1 对称密码 （7）

1.3.2 非对称密码 （10）

1.4 硬件加/解密系统 （12）

1.4.1 硬件加密系统的优点 （12）

1.4.2 硬件加密系统功能分类 （13）

1.4.3 硬件加密系统模型 （14）

1.4.4 硬件加密系统的FPGA实现 （14）

第2章 项目开发环境介绍 （16）

2.1 软件平台 （16）

2.1.1 硬件开发工具QuartusⅡ8.0 （16）

2.1.2 ModelSim 仿真工具 （20）

2.1.3 NiosⅡIDE 8.0集成开发环境 （24）

2.2 硬件平台 （29）

2.2.1 DE2平台简介 （29）

2.2.2 DE2板上资源及硬件布局 （31）

2.2.3 DE2原理 （32）

2.2.4 DE2平台的开发环境 （35）

2.2.5 DE2开发板测试说明 （36）

第3章 基于FPGA的DES/3DES加/解密系统 （39）

3.1 实例介绍 （39）

3.2 设计思路与原理 （39）

3.2.1 DES/3DES算法简介 （39）

3.2.2 DES/3DES加/解密流程 （40）

3.3 硬件设计 （45）

3.3.1 流水线模式的设计 （45）

3.3.2 系统创建 （52）

3.3.3 系统仿真与测试 （55）

3.4 实例总结 （65）

第4章 基于FPGA的RSA加/解密系统 （66）

4.1 实例介绍 （66）

4.2 设计思路与原理 （67）

4.2.1 数学背景 （67）

4.2.2 RSA加/解密流程 （67）

4.2.3 Montgomery算法 （68）

4.2.4 适合硬件的模幂、模乘算法分析 （70）

4.3 硬件设计 （73）

4.3.1 整体设计 （73）

4.3.2 存储器的选择 （80）

4.3.3 模幂控制器设计实现 （83）

4.3.4 模乘运算模块分析与设计 （84）

4.3.5 系统综合与仿真测试 （99）

4.4 实例总结 （101）

第5章 基于FPGA的Twofish加/解密系统 （102）

5.1 实例介绍 （102）

5.2 设计思路与原理 （103）

5.2.1 Twofish算法简介 （103）

5.2.2 Twofish加/解密核心算法详解 （103）

5.2.3 系统整体结构 （106）

5.3 硬件设计 （107）

5.3.1 加/解密系统各逻辑模块设计 （107）

5.3.2 详细设计 （112）

5.3.3 系统综合与仿真测试 （141）

5.4 实例总结 （143）

第6章 基于NoisⅡ的AES加/解密系统 （144）

6.1 实例介绍 （144）

6.2 设计思路与原理 （145）

6.2.1 AES算法简介 （145）

6.2.2 AES加/解密流程 （146）

6.2.3 系统整体结构 （151）

6.3 硬件设计 （151）

6.3.1 AES IP核设计 （151）

6.3.2 SOPC系统的创建 （173）

6.4 软件设计及综合测试 （185）

6.4.1 软件设计 （185）

6.4.2 系统综合与仿真测试 （192）

6.5 实例总结 （196）

第7章 常见问题及开发技巧总结 （197）

7.1 QuartusⅡ常见问题 （197）

7.2 ModelSim常见问题 （202）

7.3 NiosⅡ常见问题 （205）

7.4 开发技巧总结 （208）

附录A DE2平台上EP2C35F672的引脚分配表 （212）

全书共7章，包含基础知识到应用实例的讲解、分析，并总结了开发技巧，可以帮助读者快速提高硬件加/解密系统的开发能力和实战经验。第1～2章为基础知识部分，介绍密码基础知识和项目开发环境；第3～6章为应用实例部分，共安排了4个经典的设计实例，详细介绍了硬件加/解密系统开发的技术和技巧，深入讲解了开发方案与设计思路，并对设计过程中的重点和难点进行了详细分析和注释；第7章为经验总结部分，总结了书中4个应用开发实例和编者多年来的开发经验，以及遇到的难点和问题，让读者在吸取经验和掌握技巧的同时，迅速提升开发的实践能力。 【页数】：224【读者对象】本书适合高等学校电子、电气及计算机类等相关专业高年级本科生和研究生以及相关领域的研究人员，也可供从事FPGA设计与开发的技术人员参考。【前言】 前 言FPGA技术综合了灵活性、低成本和快速上市周期的优势，同时还具备高性能、系统集成和最先进的开发工具，是电子系统设计领域的发展趋势，将在未来电子设计领域发挥越来越重要的作用。作者结合近几年FPGA的实践和教学经验，针对读者可能遇到的实际问题，参考了大量设计书籍和技术文献，组织编写了本书。书中研究的是近些年来倍受重视的信息安全技术，尤其是基于FPGA的硬件加/解密技术，作者根据自己近几年在FPGA和密码学领域方面的研究和实践，综合了两者的应用，针对面临的实际开发问题和当前网络对信息安全的需求，尤其是基于FPGA技术下的密码技术应用，使本书满足广大读者学习和工作的需要。本书以实用为原则，通过讲练结合的方式，对实例项目进行开发技术和经验的介绍与总结，重视开发方案与设计技巧的讲解，注重读者动手能力的培养，能迅速帮助读者在经验和实践能力两方面得到提升，培养和提高读者基于FPGA的硬件密码技术的开发和设计能力。系统设计的基本软件工具如下：QuartusⅡ：用于完成NiosⅡ系统的综合、硬件优化、适配、编程下载及硬件系统调试等。SOPC Builder：Altera NiosⅡ嵌入式处理器开发软件包，用于实现NiosⅡ系统的配置和生成。ModelSim：用于对SOPC生成的NiosⅡ系统的HDL描述进行系统功能仿真。NiosⅡIDE：用于进行软件开发、调试以及向目标开发板进行Flash下载。全书简要叙述了密码学和硬件密码学知识，简单介绍了QuartusⅡ，ModelSim，NiosⅡIDE等基本软件工具的操作应用（包括嵌入式系统的硬件配置、硬件设计、硬件仿真、软件设计及软件调试等）；分析和讲解了基于FPGA技术的硬件加/解密技术的设计和实现，在实例的讲解中总结了作者实践项目的开发经验、技巧及开发过程中遇到的问题；提供了基于FPGA的SOPC设计技术的系统集成实例，实例代表性和实践性强，来自于作者近几年来主持的基金项目和指导的比赛获奖作品，且全部调试通过。本书语言简洁，结构清晰，内容系统全面，基础知识和实际工程结合，紧紧围绕实用原则， 总结了作者实践项目的开发经验、技巧及开发过程中遇到的问题。在实例的讲解上，既介绍了设计原理、结构框图、基本步骤和流程，提供了开发方案和设计思路，也穿插了一些经验技巧和注意事项，在潜移默化的过程中提高读者的理论知识和实践能力。同时重视开发方案与设计技巧的讲解，注重读者动手能力的培养。 本书由杨军、余江主笔，赵征鹏共同编写完成。其中第2、5、6章由杨军教授编写，第3、4章由余江教授编写，第1、7章由赵征鹏副教授编写。另外为本书的顺利完成做出贡献的人员还有舒平平、张伟平、陈成、董寅、王小军、杜琛、李剑和赵嘎等，他们在资料的收集、整理，源代码的设计、分析、仿真，硬件平台的验证，书稿的录入、排版和绘图等方面做了大量的工作，在此一并向他们表示最诚挚的谢意！基于FPGA硬件加/解密系统的设计技术涉及的知识范围广，本书中硬件设计和软件设计中分别采用了硬件描述语言和C语言，随书将提供丰富的实例工程文件和程序源代码，读者稍加修改便可应用于自己的工作中或完成自己的课题。由于作者水平有限，加之编写时间仓促，书中难免有错误和不足之处，恳请读者批评指正。编 者 2012年3月