0 引 言

“数字电路与逻辑设计”课程是高校计算机专业必修的一门硬件基础课程^[1],也是专门为大二计算机专业学生量身定做的课程之一。其课程内容着重于逻辑抽象又应用于工程实践^[2],但又区别于其他电子类专业“数字电子技术”课程的培养要求。从计算机专业学生的培养方向而言,更立足于培养计算机专业的学生掌握逻辑器件设计到计算机系统设计的全过程,进而掌握计算机硬件系统结构、工作原理,设计数字系统中时序和组合逻辑电路^[3]。在逻辑分析和电子电路两方面^[4],数字逻辑课程更侧重逻辑分析,为后续“计算机组成原理”课程做良好的知识储备。由于教学内容与数字电子技术相似度较高,实验内容基本相同,导致无法正确培养计算机专业学生的逻辑分析能力。

随着可编程逻辑技术的不断发展,EDA技术也脱颖而出,将EDA技术引入数字逻辑课程实验教学中是必然的,但也急需选择适合于数字逻辑实验课程学时和培养目标且具有层次性、扩展性、灵活性的实验内容,同时设计内容要为后续硬件基础课程及专业基础课程打下基础,本文以S-DES安全加密算法仿真实现为例,利用Altera公司的Quartus II仿真平台搭建系统模型,将简单易行的组合逻辑电路及设计模块成功结合,从而熟练掌握EDA技术的数字系统设计方法,另外,在开放式实验教学过程中,学生可预先利用大一学到的C语言进行算法测试及验证,加强课程紧密性,也让学生辨识软件和硬件的区别^[5]。

S-DES加密算法原理简单,一直作为“计算机网络安全”和“云计算”专业课程的一部分引入,但通过数字逻辑实验课程引入内容后,学生既可以理解基本组合逻辑和时序逻辑功能,也可以利用逻辑电路应用于工程实践。这种承前启后的实验课程内容,既简单易实现,又依托于工程实践,促进学生更好地理解和掌握理论知识,提升学生学习兴趣和学习的满足感,也为后续基础和专业课程均打下基础。

1 安全加密算法原理

安全密码技术自古以来被人们沿用,在电子、通信、计算机发展的时代^[6],加密算法作为信息安全保障的核心技术被广泛应用。在密码体制中有两种类型:对称密码体制和非对称密码体制,对应的算法为对称和非对称加密算法。这些安全算法可有效地保密信息安全、防止信息篡改和确认身份。20世纪70年代美国公开的DES加密算法是应用最广的对称加密算法之一,其特点是算法的加密和解密过程使用相同密钥且保密。算法模型框图如图1所示。

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图1   对称加密模型框图

   

图1中明文P通过加密算法加密后得到密文C,传输给接收方,接收到的密文通过相同的安全密钥进行解密操作,得到发送方给予的信息内容。其中双方必须以安全通道获取密钥源,保障信息安全。而破译者只能在传输过程中获取密文,进行破译得到明文和密钥。

S-DES是具有扩展性适用于教学的一种加密算法,由Santa Clara大学的Edward Schaefer教授提出^[7]。与DES加密算法基本原理基本相同且简单易实现,其内部核心部件采用Feistal结构,常被应用于图像处理方面。S-DES加密算法仍属于对称加密算法,在输入明文后经过IP置换、F_k函数、SW交换、IP^-1逆置换进行加密运算得到密文C,在此过程中密钥源形成子密钥,添加入F_k函数中。而接收方得到密文后同样采用该算法以相同方式进行运算,但区别于加密过程中子密钥的加载到F_k函数顺序完全倒置。S-DES加密算法流程图如图2所示。

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图2   S-DES加密算法流程图

   

图2中,L和R代表数据的左、右部分各4 bit,⊕代表异或操作。IP置换是简单的数据位置互换,按照指定规则将原有P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8位置变换成P2,P6,P3,P1,P4,P8,P5,P7;与之相对应的IP^-1逆置换则将得到的数据变换为D4,D1,D3,D5,D7,D2,D8,D6。主体运算为F_k函数,基本函数为

fK(L,R)=(L⊕F(R,SK),R)(1)

式(1)中,L和R表示数据左右两部分,SK是子密钥之一,而⊕是逐位异或函数,F为其内部S-BOX与置换操作。其内部包括扩展置换E/P(左/右移位)、基于Feistal结构的S-BOX和循环左移操作,同时,扩展置换E/P后引入子密钥,与原数据异或操作,得到数据根据矩阵行列式位置选择S-BOX内部数据,组合得到运算结果。一轮运算后对调数据左右两部分,再次进行F_k函数的轮运算。最后一轮运算后直接将数据组合进行IP^-1逆置换得到密文C。

图2中key1和key2表示右密钥源生成的两个子密钥。子密钥生成过程主要是左移运算,但移位数据有所不同。密钥源同样进行规定的置换操作,置换后数据分为左右两部分,分别左移1位,将其组合提取其中8 bit,即为子密钥key1。同时上述数据组合后再左移1位,重新组合提取其中8 bit,即为子密钥key2。

2 安全加密系统仿真实验平台实现

根据加密算法原理逻辑性强运算流水性特点,本文利用EDA技术中Quartus II开发平台进行系统设计,同时借助Visual C++仿真平台进行安全系统设计结果对比验证。该平台的图形化设计清晰形象,灵活性强、运算速度快,仿真验证效果直观,学生在有限的学时里可快速建立模型,验证正确性,激活了学生兴趣,提升学习效率和工程实践意识。

2.1 Quartus II仿真实现

根据S-DES加密算法工作原理分析,算法加密与解密操作简单,硬件实现快速安全、灵活性较高^[8]。利用Quartus II平台可建立图形化模型,有利于学生分析和建模。系统结构图如图3所示。

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图3   S-DES系统设计结构图

   

系统时钟加载入系统中,为保证系统运行稳定,对子密钥生成模块输入相对于加密/解密模块具有较高的频率,提前运行子密钥生成模块,为加密/解密模块运行做充分准备。控制模块可利用使能键进行加密和解密操作,最终输出正确结果。

Quartus II是由Altera公司开发的一种综合性FPGA/PLD集成仿真工具软件^[9-10]。该平台支持多种硬件描述语言:VHDL、AHDL、Verilog HDL等,用户可以利用Quartus II软件的文本输入方式、模块输入方式、EDA设计输入工具等方式等进行电路描述。软件内部支持IP核,方便调用各种成熟模块,同时具有集成仿真工具。具有功能集成度高、界面统一、灵活性强、速度快等优点。

根据算法原理和系统结构,本文对结构图3中各个模块分别进行图形化设计,其各部分电路利用Quartus II平台内部模块调用及硬件语言编辑合成模块进行搭建。依据实验室内现有开发硬件平台具有20 MHz时钟晶振,设定系统时钟为20 MHz,在系统内部高性能嵌入式模拟锁相环及VHDL语言编辑下进行分频操作,得到相差10倍的频率f₁和f₂分别输入至子密钥生成模块和加密/解密模块。

加密算法中由密钥源生成子密钥的过程及其重要,子密钥为主体运算提供钥匙,保证系统安全^[11-12]。子密钥及控制设计电路图如图4所示。

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图4   子密钥及控制顶层设计电路图

   

图4中输入按键有3个:RES、EN1、EN2,密钥源输入为key,输出时能信号EN,输出子密钥key1和key2。当复位信号RES=‘1’时,密钥源的工作停止,加密/解密操作终止;当RES=‘0’时,控制加密使能EN1或解密使能EN2控制系统。根据组合逻辑电路数据选择器原理设计控制模块,进行功能性选择,控制模块等待提前生成的子密钥key1和key2输入,以保证加密/解密子密钥输入正确顺序。其中,key1和key2在两次置换操作中进行分组循环左移1 bit和2 bit操作。为了保证结构清晰,将key1和key2设计电路利用软件内Create Symbol Files for current File生成子模块。

控制模块输出模式选择后的子密钥key1和key2作为主体运算电路的输入信号,连接加密/解密运算电路图的keyA和keyB,另外输入分频后频率f₂连接clk0作为参考信号,输入加密/解密信息P,根据S-DES工作原理,通过存储器、异或门、循环左移寄存器、右移寄存器、16选1数据选择器共同完成顶层加解密运算,输出解密/加密结果。加密/解密顶层设计电路图如图5所示。

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图5   加密/解密运算顶层设计电路图

   

在系统各个模块完成后,同样利用子模块生成方法,将各部分顶层电路图生成子模块,利用图形法搭建整体电路模型。通过Quartus II平台自带仿真工具Simulator对设计电路进行综合、编译、仿真,建立波形文件^[13]。

系统时钟周期50 ns,为了验证系统加密/解密正确性,加密使能EN1和解密使能EN2对应提前设定输入信息“00010111”和“00001011”,加载密钥源“0000101101”,在运算操作下验证系统输出值C及子密钥值。仿真波形图如图6所示。

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图6   S-DES安全加密算法系统仿真图

   

2.2 C语言程序化仿真实现

在数字逻辑课程之前,学生大一期间已学过C语言程序设计,为了更好链接和验证新知识,可利用Visual C++开发平台进行程序验证。该软件类管理灵活方便、可自动生成程序框架、界面设计与代码编写交互方便,学生对新知识可利用已学内容进行预习或验证,提升对知识点的理解和学习兴趣。

界面工作区定义明文、密文、密钥源以及运算中间变量,根据S-DES工作原理对代码输入、密钥源输入、子密钥生成、F_k函数、异或操作、IP和IP^-1变换以及扩展置换等分别定义编辑,该算法的核心部分就是F_k函数,其内部具有非线性S-BOX,可有效保证信息安全。F_k函数运算^[14]的主要程序如下:

Void fk(char sub_key[8])

{int i;

for(i=0;i<4;i++)

{ l[i]=code[i];r[i]=code[i+4];}//分离数据

for(i=0;i<8;i++)

temp[i]=XOR(r[EP[i]-1],sub_key[i]);

//扩展后异或操作

for(i=0;i<4;i++)

{ ln[i]=temp[i];rn[i]=temp[i+4];}

//左右数据分别存放

box(ln,S_a); // S-BOX0运算

temp[4]=temp[6];

temp[5]=temp[7]; //移位放置

box(rn,S_b); // S-BOX1运算

temp[0]=temp[5];temp[1]=temp[7];

temp[2]=temp[6];temp[3]=temp[4];

//P4置换

for(i=0;i<4;i++)

l[i]=XOR(temp[i],l[i]);i=0;

//左右数据再次异或

while(i<4){code[i]=l[i];i++;}

while(i<8){code[i]=r[i-4];i++;}//合并数据

通过程序编写,编译成功后运行程序,得到界面如图7所示。

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图7   Visual C++加密系统仿真

   

通过Visual C++平台系统仿真,可以观察到基于软件实现的S-DES加密算法运算过程中明文、密钥源及密文与硬件编辑开发平台Quartus II输入相同的情况下,系统仿真结果完全相同。在图形化设计与语言编辑设计两种方式实现过程中,学生可充分理解时序逻辑电路与组合逻辑电路的系统功能,同时,以工程角度在多种设计形式下,增强学生对知识应用的灵活性。

3 结 语

基于计算机专业数字逻辑课程培养方向和目标,以安全加密算法中S-DES算法原理为基础,利用Quartus II平台进行图形化设计以及在Visual C++平台上的C程序化设计分别实现该算法,多种形式下进行系统仿真,对比实验结果验证其准确性。设计内容承上启下,难度适中,灵活性强且可扩展至其他复杂的加密算法,既有助于数字逻辑课程内容理解,也为后续计算机组成原理、微机原理、云计算等课程打下良好知识基础。该实验平台拓展学生数字系统设计思维,提升了学生工程实践意识,也增强了课程学习兴趣。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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