文献综述
- 研究背景及意义：
随着电子科学技术的不断发展，网络在人们的日常生活中的比重越来越大，网络信息传输安全也越来越被人们所重视。然而保障信息安全的主要手段就是信息加密。信息加密不是一个很新奇的概念，它的出现可以追溯到几千年前的古埃及象形文字，古埃及人使用这些象形文字混淆读者，这种文字被认为是密码学的第一次尝试[8]。密码学是一个既古老又朝气蓬勃的学科，它的发展大致经过了三个阶段，古代加密方法、古典密码体制阶段和近代密码。密码形成一门新的学科是在20世纪70年代，这是受计算机科学发展刺激和推动的结果。
近代密码学发展的主要产物就是现代分组加密算法，例如DES、3DES、AES等。DES算法是1977年美国国家标准局公布的数据加密标准。在过去的几十年中，它被广泛的应用于电子商务、卫星传输、自动收费、国防等各种需要加密的领域中[12]。而随着计算机技术的不断发展，它的加密安全强度被计算机的强大运算能力逐渐削弱。为了满足更高安全等级的加密要求，基于DES算法的3重DES算法应运而生。3DES算法通过改变密匙强度和加密复杂性以保障加密的安全。3DES的底层加密算法和DES一样，所以在对3DES系统的设计中不用做太大的改变就可以实现更安全的加密，这是3DES兴起的主要原因。对3DES算法的研究具有重要的现实意义和广阔的发展前景。
近年来，对3DES算法的研究主要集中在其设计原理、硬件实现、安全性能分析等方面，本次研究主要集中在基于FPGA的硬件实现方面。因为和软件实现的加密技术相比，硬件加密技术具有不占用系统资源、安全性高、速度快的特点，并且其稳定性和兼容性较高。信息安全芯片是信息加密最底层的核心硬件技术，即某一种加密算法用硬件电路实现。通过DES算法制造出来的各种信息安全芯片被广泛的应用于ATM、POS、加油站等数据传输领域[9]。由于对加密安全性的要求，基于3DES算法的信息安全芯片为信息加密带来了全新方向。3DES算法没有复杂的数学运算，在加解密过程和密匙生成过程中仅有逻辑运算和查表运算，因此其硬件实现较为简单。
基于FPGA的硬件实现与基于ASIC（专用集成电路）相比，具有更好的灵活性、可靠的硬件稳定性以及可观的速度性能[10]，因此本次研究采用FPGA（现场可编程门阵列）对3DES算法进行实现。在信号的处理及系统的控制中，FPGA电路既能缩减电路体积，提高电路稳定性又能利用其先进的开发工具使得系统的设计调试周期大大缩短。FPGA成为复杂数字硬件电路设计的首选，因此研究和设计基于FPGA的3DES算法更有意义。
- 国内外研究现状
基于FPGA的3重DES算法有各种优势和现实意义，因此国内外对它的研究以及进行了很长一段时间，取得的成果也比较多。在1997年，Leonard和Mangione Smith 第一次使用FPGA实现了DES算法[13]，接着Wong等人设计出基于Xilinx XC4000器件的DES独立芯片[14]。由于传统算法在加密速度上存在缺陷，因此人们开始对其运算速度进行改进。Kaps和Paar就DES算法在FPGA上的高速实现做出了研究[15]，Mcloone M和McCanny J. V. 用Xilinx Virtex 高速器件实现DES算法。之后，在Virtex XCV150-6上实现DES算法的方法也被提出。在之后，赛灵思公司公布了一个循环全部打开的流水线结构DES算法的FPGA实现IP核。
近年来，国内对该算法的研究以及取得了较多进展，包括各种流水线结构和状态机结构的研究。但是从整体上看这套系统并没有太大的改变，它的实用性和安全性正在被各种新兴的黑客技术和更高级的加密技术削弱。随着集成度的不断提高，资源更丰富、速度更快的高端FPGA的不断推出，对设计出加密速度更快、加密安全性能更可靠和具体应用相结合的基于FPGA的加密系统提出了更高的要求，因此对此算法的研究也变得更为重要。
- 原理及研究方法
此次研究主要包括熟悉3DES加密算法原理、熟悉FPGA的工作原理和器件选择、完成FPGA硬件加密电路设计、完成3DES固件设计、完成电路调试等。
DES算法是一种分组对称加密算法．它对64位明文进行分组加密，先进行一个初始置换IP，将这64位明文分为两个部分，即左半部分和右半部分各32位明文．然后进行16轮完全一样的重复循环运算，值得说明的是，在每一轮运算中都需要一个独立的子密钥，这些子密钥是由初始密码按照一个特定的关系进行压缩置换生成的．经过16轮运算后，把得到的数据左半部分和右半部分结合，再通过一个逆初始置换把这些数据进行重新排列，最终得到了64位密文．而在这16轮循环运算中，任何一轮的运算都需要进行单独的扩展置换、Ｓ盒置换、Ｐ盒置换和两次 异或运算。[12]
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