CN1527531A - 一种数据加密标准或三重数据加密标准的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数据加密标准(DES)或三重数据加密标准(3DES)的实现方法，经过初始置换的64比特(bits)明文在每个迭代单元与不同子密钥进行迭代运算后，再经过初始置换的逆变换生成64bits的密文，其特征在于该方法还包括：a.预先计算并存储迭代运算所需的一个以上子密钥，并设定每个迭代单元与每个子密钥之间的对应关系；b.在一个时钟周期内完成一个以上迭代单元的迭代运算，且在每次迭代运算之前，根据步骤a所设定的对应关系确定当前所要使用的子密钥，然后在每个迭代单元中将初始置换后的64bits明文与所确定的子密钥进行迭代运算。该方法不仅使数据加密速度大大提高，提供了足够的加密吞吐量用来满足数据通信对流量的要求，而且提高了DES或3DES加/解密算法的安全性。

Description

一种数据加密标准或三重数据加密标准的实现方法

技术领域

本发明涉及一种数据加密技术，特别涉及一种数据加密标准(DES)或三重数据加密标准(3DES)的实现方法。

背景技术

DES是美国国家标准局(NSA)1977年正式公布实施的数据加密标准和加密算法，该加密算法主要用于商业的保密通信，是目前应用最广泛的加密算法。

DES是一种分组对称的加密算法，所谓的分组密码就是对固定长度的一段明文进行加密的算法；对称密码则是指加密和解密都用同一套密码。DES是对输入的64比特(bits)的定长比特流进行加密的一种算法，密钥是64bits的比特流，明文进行加密后，输出长度为64bits的密文。假设输入的64bits明文为：m＝m₁m₂...m_i...m₆₄(1≤i≤64)，每个mi表示1bit；64bits密钥为k＝k₁k₂...k_i...k₆₄(1≤i≤64)；其中密钥只有56bits有效，k₈k₁₆...k_i...k₆₄都是奇偶校验位，在算法中不起作用，整个加密过程可以由公式(1)表示：

        DES(m)＝IP^-1(m)*T₁₆T₁₅*...*T₃*T₁*IP(m)     (1)

DES加密算法过程为经过置换64bits的明文进行16次的单元迭代后再进行逆置换得到64bits的密文。

DES加密算法的流程图如图1所示，其具体过程为：

步骤100，通过初始置换函数IP对明文m进行初始置换，初始置换是用单位矩阵I左乘以明文m；

步骤100～102，初始置换后的明文m分为两部分，分别为：L₀和R₀，L₀和R₀都是32bits；

步骤103～106，L₀和R₀分别与每一单元的密钥进行DES的单元迭代，经过16次的迭代生成L和R，L和R都是32bits；

步骤107～108，L和R进行对换后，再进行初始置换函数的逆置换，完成明文m的DES加密。

DES加密算法中每个迭代单元的算法流程如图2所示，假设迭代单元的输入为L_i和R_i，输出为L_i+1和R_i-1其中L_i+1与R_i相等，输入的密钥为K，其具体过程为：

步骤210～211，输入的56bits有效密钥k经过函数PC-1置换之后，拆为高低各28bits的C₀和D₀；

步骤212，高位28bits的C₀和低位28bits的D₀分别在每次迭代到第i次时进行LS_i运算，也就是循环左移i位，得到循环左移后的C₀和D₀；

步骤213，将循环左移后的C₀和D₀合并变成56bits的数据流之后进行一次PC-2函数置换，形成48bits的子密钥K_i输出，这样迭代16次就有16个子密钥K_i输出。

各个迭代单元的子密钥在DES加密运算中进行使用，其具体过程如下：

步骤200～203，对输入的32bitsR_i经过E变换进行扩展/置换，变成48bits的比特流E_i；E_i和子密钥K_i进行XOR运算之后产生48bits的比特流；

步骤204～205，该48bits的比特流经过S盒子的替代/置换之后变成32bits的S盒子输出；S盒子输出的32bits的比特流经过P置换之后生成32bits比特流的P置换输出；

步骤206～208，P置换输出和L_i进行XOR运算之后产生R_i+1，L_i+1为R_i，一次DES迭代运算完成。

DES解密和加密过程很类似，只是子密钥不同。如图3所示，图3为DES解密算法的流程图，其实现步骤为：

步骤300～302，初始置换后的密文c分为两部分，分别为：L和R，L和R都是32bits；

步骤303～306，L和R分别进行DES的单元迭代，经过16次的迭代生成L₀和R₀，L和R都是32bits，在每一次迭代时，应将16次迭代的子密钥K₁，K₂，K₃...K₁₆的顺序颠倒过来使用，即在第一次迭代时用K₁₆，最后一次迭代用K₁即可；

步骤307～308，L和R进行对换后，再进行初始置换函数的逆置换，完成密文的DES解密。

三重DES加密是DES的一个更安全的变形，三重DES加密过程是由软件实现的，三个密钥的三重DES具有比DES和两个密钥的三重DES加密更好的安全性，三个密钥的三重DES加密，在Internet应用日益广泛。

以三个密钥的三重DES为例，3DES算法可以描述如下：假设e_k(m)和d_k(m)表示用DES算法对64bits的定长比特流m的加密和解密，密钥为K；则64bits的密文c是通过执行公式(2)得到的：

$c=e_{K_3}\left(d_{k_2}\left(e_{K_1}\left(m\right)\right)\right)---\left(2\right)$

其中K₁、K₂和K₃是56bits的DES密钥。

3DES加密过程为输入64bits明文连续进行三次输入不同DES密钥的DES加密得到64bits密文。

如图4所示，图4为3DES加密算法的流程图，其具体过程为：

步骤401，明文m通过密钥K₁进行DES的加密过程；

步骤402，经过第一次DES加密过的明文m通过密钥K₂进行DES的解密过程；

步骤403，经过第二次DES解密过的明文m通过密钥K₃再进行DES的加密过程，输出密文c。

从密文c导出明文m的三重DES的解密过程是加密过程的逆过程，描述如公式(3)所示：

$m=d_{K_1}\left(e_{k_2}\left(d_{K_3}\left(c\right)\right)\right)---\left(3\right)$

3DES解密过程为输入64bits密文连续进行三次输入不同DES密钥的DES解密得到64bits明文。

如图5所示，图5为3DES解密算法的流程图：

步骤501，密文c通过密钥K₃进行DES的解密过程；

步骤502，经过第一次DES解密过的密文c通过密钥K₂进行DES的加密过程；

步骤503，经过第二次DES加密过的密文c通过密钥K₁再进行DES的解密过程，输出明文m。

目前许多应用都是采用软件编程实现3DES加密算法的，由于采用软件实现数据加/解密速度很慢，如果用软件实现DES算法，需要35个时钟周期完成一个64bits的明文加密或64bits的密文解密，限制了整个通信***的吞吐量，但是对于加密通信技术来说，需要有足够的加密吞吐量来满足数据通信对流量的要求，而采用软件实现3DES加/解密数据流，则不能满足大吞吐量的要求，成了加密通信中的瓶颈。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种DES或3DES的实现方法，该方法不仅使数据加/解密速度大大提高，提供了足够的加密吞吐量用来满足数据通信对流量的要求。而且提高了DES或3DES加/解密算法的安全性。

根据上述目的，本发明提供一种数据加密标准(DES)或三重数据加密标准(3DES)的实现方法，经过初始置换的64比特(bits)明文在每个迭代单元与不同子密钥进行迭代运算后，再经过初始置换的逆变换生成64bits的密文，其特征在于该方法还包括：

a.预先计算并存储每个迭代运算所需的子密钥，并设定每个迭代单元与每个子密钥之间的对应关系；

b.在一个时钟周期内完成一个以上迭代单元的迭代运算，且在每次迭代运算之前，根据步骤a所设定的对应关系确定当前所要使用的子密钥，然后在每个迭代单元中将初始置换后的64bits明文与所确定的子密钥进行迭代运算。

步骤a中所述预先计算的子密钥个数等于一次加/解密运算中的迭代运算次数。

步骤a中所述迭代单元与子密钥间的对应关系为迭代单元序号与子密钥序号一一对应。

步骤a中所述子密钥的计算进一步包括：

a1、密钥经过PC-1函数置换之后，拆为高位C₀和低位D₀；

a2、高位C₀和低位D₀分别在每次迭代到第i次时循环左移i位，得到循环左移后的高位C₀和低位D₀；

a3、将循环左移后的高位C₀和低位D₀合并变成数据流之后进行PC-2函数置换，形成子密钥K_i输出并存储。

所述步骤b中一个时钟周期内完成四个迭代单元的迭代运算。

在进行3DES加/解密时，该方法还包括：进行完DES的加/解密后空置一个周期。

所述一个时钟周期完成四次迭代运算进一步包括：

经过初始置换后的数据流分别在四个迭代单元中与预先计算出的子密钥进行并行迭代单元的运算，完成一个周期的四次DES迭代单元的运算。

由上述方案可以看出，本发明采用逻辑的方法实现DES或3DES的加/解密算法。在同一时钟周期内能完成四个迭代单元操作，并且可以将每次迭代运算所用的子密钥预先生成，从而使处理数据加密的速度大大提高，提供了足够大的加密吞吐量用来满足数据通信对流量的要求，使DES或3DES加/解密算法成为一种更为安全、高效的算法。

附图说明

图1为DES加密算法的流程图。

图2为DES加密算法中每个迭代单元的算法流程图。

图3为DES解密算法的流程图。

图4为3DES加密算法的流程图。

图5为3DES解密算法的流程图。

图6为本发明实施例的3DES加/解密接口的结构图。

图7为本发明实施例的CBC模式下3DES加密算法的流程图。

图8为本发明实施例的CBC模式下3DES解密算法的流程图。

图9为一个时钟周期完成DES加密算法的4次迭代运算流程图。

图10为3DES加/解密算法的处理过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举实施例并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的核心思想就是：采用逻辑的方法实现DES/3DES算法的加/解密，设置一个时钟周期完成一次以上迭代运算，一个时钟周期进行的4次DES加/解密运算迭代过程称为一级流水，在每一次DES加/解密结束后再空置一个周期，用来保证每一级流水之间建立逻辑组合连接的保持时间。本发明还采用了预先算出每个迭代单元运算所需子密钥的方法，使数据的加密速度大大提高。

以下就以实现逻辑密码分组链接(CBC)模式的3DES算法为例，对本发明详细说明。

如图6所示，图6为本发明实施例的3DES加/解密接口的结构图，该接口是由输入接口和输出接口组成，输入接口包括：主时钟接口(Clk)601、复位信号输入接口(Rst)600、加/解密请求信号输入接口(Req)607、加/解密64bits数据输入接口(Text_in[63:0])602、64bits初始向量Iv(Iv[63:0])603、56bits密钥key1输入接口(Key1[55:0])604、56bits密钥key2输入接口(Key2[55:0])605和56bits密钥key3输入接口(Key3[55:0])606；输出接口包括：加/解密64bits数据输出接口(Text_out[63:0])608和加/解密结束标志(Finish)609。

利用图6所述的3DES加/解密接口就可以实现CBC模式下的3DES加/解密算法，如图7所示，图7为本发明实施例的CBC模式下3DES加密算法的流程图，其实现过程为：

步骤700，将需要解密的明文分为若干个64bits的数据流，假设该明文被分为为m1，m2，…，mN，每个mI都为64bits；

步骤701、702、703，设置一个初始向量IV，该IV与明文m1异或后再进行DES/3DES的加密，输出64bits的密文c1；

步骤704、705、706，明文m2与输出密文c1异或后再进行DES/3DES的加密，输出64bits的密文c2，以此类推，最终输出64bits的密文cN。

如图8所示，图8为本发明实施例的CBC模式下3DES解密算法的流程图，其实现过程为：

步骤800，密文首先被分组，每组中的明文为64bits的数据流，假设为密文c1，c2，…，cN；

步骤801、802、803，设置一个初始向量IV，c1进行DES/3DES的解密后与该IV密文异或，输出64bits的明文m1；

步骤804、805、806，密文c2进行DES/3DES的解密后与密文c1异或，输出64bits的明文m2，以此类推，输出64bits的明文mN。

由于采用逻辑CBC模式的DES/3DES加/解密算法，每个时钟周期能够支撑多次迭代操作的组合逻辑实现，因此设置每个时钟周期完成四次迭代运算，那么只需要四个时钟周期即可完成。如图9所示，图9为一个时钟周期完成DES加密算法的四次迭代运算流程图，其具体过程为：

步骤901，通过加/解密64bits数据输入接口(Text_in[63:0])输入明文m；

步骤902、903，56bits密钥key输入接口(Key[55:0])输入的密钥通过一系列的移位和组合产生出16个48bits的子密钥；

步骤904、905，明文m经过初始置换后的数据流与第一个子密钥进行DES迭代单元A的运算，生成64bits的数据流再与第二个子密钥进行DES迭代单元B的运算，以此类推，完成一个周期的四次DES迭代单元的运算，当第二个周期时分别选择第5个、第6个、第7个和第8个密钥完成完成第二个周期的四次DES迭代单元的运算，当第三个周期时分别选择第9个、第10个、第11个和第12个密钥完成完成第三个周期的四次DES迭代单元的运算，当第四个周期时分别选择第13个、第14个、第15个和第16个密钥完成第四个周期的四次DES迭代单元的运算，最后由加/解密64bits数据输出接口(Text_out[63:0])输出加密后的明文m。

为了减少DES加/解密算法中的数据运算，简化过程，加快每次迭代的运算速度，可以将16个子密钥预先算出，在进行DES加/解密运算之前将16个子密钥算出，算出子密钥的方法采用现有技术，根据图2所述生成子密钥的方法在进行DES加/解密运算之前算出，不同的迭代单元对应不同的子密钥，根据迭代单元的轮数选择相应的子密钥，如迭代单元1选择子密钥K1，迭代单元2选择子密钥K2等。也可以预先设定一个迭代单元与所选子密钥的对应关系，每次根据迭代单元号确定当前所选子密钥即可，比如：迭代单元4与子密钥K4有对应关系，当进行DES的第4迭代单元运算时，运用子密钥K4。

采用CBC模式的3DES加/解密算法相当于三次采用CBC模式的DES加/解密算法，为了保证在每一次DES加/解密算法之间组合逻辑的建立保持时间，在每一次完成DES加/解密算法空出一个时间周期，则一次采用CBC模式的3DES加/解密算法的运算需要15个时钟周期，如图10所示，图10为3DES加/解密算法的处理过程示意图，其具体过程为：

步骤1000，通过加/解密64bits数据输入接口(Text_in[63:0])输入的明文m和通过56bits密钥key1输入接口(Key1[55:0])输入的密钥K₁进行DES的加密过程；

步骤1001，经过第一次DES加密过的明文m和通过56bits密钥key2输入接口(Key2[55:0])输入的密钥K₂进行DES的解密过程；

步骤1002，经过第二次DES解密过的明文m通过56bits密钥key3输入接口(Key3[55:0])输入的密钥K₃再进行DES的加密过程，输出密文c。

由于3DES加/解密算法可以兼容DES加/解密算法，当三次DES加/解密算法的密钥相等时，算法就等同于DES加/解密算法。

现有技术在3DES/DES加/解密算法的迭代单元运算中使用的子密钥都是由输入的主密钥通过一系列的移位和组合生成的，这种方法速度慢、复杂度高，因此本发明将子密钥预先算出，根据迭代轮数或对应关系选择本轮迭代单元选用哪一个子密钥，可实现快速生成子密钥的过程。

本发明实施例提供的采用CBC模式实现DES/3DES的加/解密算法，可以同时对明文的几个分组进行加/解密算法，大大提高了DES/3DES的加解密算法的处理速度，使加解密的速度由原来30个时间周期处理一个64bits数据流减少为15个时钟周期处理一个64bits数据流，因此，提高了整个通信***的吞吐量，提供了足够的加密吞吐量用来满足数据通信对流量的要求，是一种更为安全、高效的DES/3DES加/解密算法的实现方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种数据加密标准(DES)或三重数据加密标准(3DES)的实现方法，经过初始置换的64比特(bits)明文在每个迭代单元与不同子密钥进行迭代运算后，再经过初始置换的逆变换生成64bits的密文，其特征在于该方法还包括：

a.预先计算并存储每个迭代运算所需的子密钥，并设定每个迭代单元与每个子密钥之间的对应关系；

b.在一个时钟周期内完成一个以上迭代单元的迭代运算，且在每次迭代运算之前，根据步骤a所设定的对应关系确定当前所要使用的子密钥，然后在每个迭代单元中将初始置换后的64bits明文与所确定的子密钥进行迭代运算。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a中所述预先计算的子密钥个数等于一次加/解密运算中的迭代运算次数。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤a中所述迭代单元与子密钥间的对应关系为迭代单元序号与子密钥序号一一对应。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a中所述子密钥的计算进一步包括：

a1、密钥经过PC-1函数置换之后，拆为高位C₀和低位D₀；

a2、高位C₀和低位D₀分别在每次迭代到第i次时循环左移i位，得到循环左移后的高位C₀和低位D₀；

a3、将循环左移后的高位C₀和低位D₀合并变成数据流之后进行PC-2函数置换，形成子密钥K₁输出并存储。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b中一个时钟周期内完成四个迭代单元的迭代运算。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在进行3DES加/解密时，该方法还包括：进行完DES的加/解密后空置一个周期。

7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述一个时钟周期完成四次迭代运算进一步包括：

经过初始置换后的数据流分别在四个迭代单元中与预先计算出的子密钥进行并行迭代单元的运算，完成一个周期的四次DES迭代单元的运算。

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