數(shù)字簽名算法SHA-1的FPGA高速實現(xiàn)

    摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，信息安全越來越重要，信息認證是驗證收到信息來源和內(nèi)容的基本技術(shù)。常用的信息驗證碼是使用單向散列函數(shù)生成驗證碼，安全散列算法SHA-1使用在是因特網(wǎng)協(xié)議安全性(IPSec)標(biāo)準中。在設(shè)計中使用FPGA高速實現(xiàn)SHA-1認證算法，以PCI卡形式處理認證服務(wù)。

    關(guān)鍵詞：數(shù)字簽名算法；現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)；計算機安全

    引言

    隨著網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，對安全性的需要越發(fā)重要。然而，盡管網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進步很快，安全性問題仍然相對落后，并且在很多情況下只能靠虛擬私人網(wǎng)VPN和防火墻。因虛擬私人網(wǎng)是構(gòu)建在Internet外部結(jié)構(gòu)上的，必須采取某些措施保證安全性問題。一種方法是使用因特網(wǎng)協(xié)議安全性(IPSec)標(biāo)準。IPSec是一組協(xié)議，它在IP協(xié)議層提供安全保密的通信。IPSec協(xié)議有通道和傳輸兩種通信模式，為了保證在高速通信中的數(shù)據(jù)安全，在設(shè)計中使用硬件加速來實現(xiàn)IPSec中的加密和認證。IPSec中的加密部分使用三重DES算法，或使用RC5、IDEA、Blowfish和CAST-128等算法作為加密手段。在IPSec協(xié)議中認證使用SHA-1和MD5單向散列函數(shù)算法實現(xiàn)，通過使用FPGA高速實現(xiàn)SHA-1消息認證算法。

    SHA-1算法介紹

    安全散列算法SHA(Secure Hash Algorithm，SHA)是美國國家標(biāo)準和技術(shù)局發(fā)布的國家標(biāo)準FIPS PUB 180-1，一般稱為SHA-1。其對長度不超過264二進制位的消息產(chǎn)生160位的消息摘要輸出，步驟如下。

    首先填充消息使其長度恰好為一個比512的倍數(shù)僅小64位的數(shù)。填充方法是附一個1在消息后面，后接所要求的多個0，然后在其后附上64位的消息長度(填充前)，使消息長度恰好是512位的整數(shù)倍。

    5個32位變量，用十六進制表示初始化。然后開始算法的主循環(huán)，一次處理512位消息，循環(huán)次數(shù)是消息中512位分組的數(shù)目。

    先把這五個變量復(fù)制到另外的變量中，A到a，B到b，C到c，D到d，E到e。

    主循環(huán)有4輪，每輪20次操作，每次操作對a、b、c、d、e中的3個進行一次非線性運算，后進行移位和加運算，運算的過程見圖1。a、b、c、d和e分別加上A、B、C、D和E，然后用下一數(shù)據(jù)分組繼續(xù)運行算法。最后的輸出由A、B、C、D和E級聯(lián)而成。

    SHA-1算法的FPGA實現(xiàn)

    實現(xiàn)SHA-1算法時，用軟件先對消息進行預(yù)處理，使消息長度恰好是512位的整數(shù)倍，再以FPGA實現(xiàn)對消息摘要計算的加速。

    FPGA的編程一般用Verilog HDL或者VHDL進行，本設(shè)計采用了VHDL語言對SHA-1算法進行描述。SHA-1算法FPGA加速器實現(xiàn)分為兩大部分，分別是80個32位臨時值Wt(W0至W79)的生成，以及對32位臨時值Wt循環(huán)處理生成160位的消息摘要。圖2為將子分組Mj(0≤j≤15)變成80個32位Wt(Kt至W79)的電路框圖，在設(shè)計時，用512位寄存器和2個多路選擇器生成臨時值Wt(0≤t≤79)。

   圖3中160位輸入數(shù)據(jù)緩沖器用來放置初始數(shù)據(jù)(5個32位變量A、B、C、D和E)，而F1234代表SHA-1算法中的4組非線性函數(shù)ft(X,Y,Z)，根據(jù)需要用多路選擇器Mux-1選擇其中一個(ft(X,Y,Z)=(X∧Y)∨((X)∧Z)，對于t=0至19；ft(X,Y,Z)=X臲臵，對于t=20至39；ft(X,Y,Z)=(X∧Y)∨(X∧Z)∨(Y∧Z)，對于t=40至59；ft(X,Y,Z)=X臲臵，對于t=60至79)，4個常數(shù)為Kt存在ROM中(即組件)，32×5加法器將5個32位數(shù)相加，為加快相加的計算速度使用先行進位加法器來執(zhí)行，具體連接結(jié)構(gòu)見圖4。

    采用Aldec公司的Active HDL V5.1對SHA-1算法進行功能模擬，測試值和中間結(jié)果使用Crypto++中的庫函數(shù)的輸入值和運算結(jié)果，并使用這些測試值和中間結(jié)果對SHA-1算法的VHDL語言描述進行驗證和查錯，經(jīng)驗證的SHA-1算法的VHDL語言描述使用Xilinx公司的ISE 4.1進行邏輯綜合、映射、布局和布線，生成網(wǎng)表用于時序仿真，最后將bitstream文件下載FPGA器件上，完成設(shè)計開發(fā)。

    FPGA的外圍電路和控制軟件

    將SHA-1算法的FPGA實現(xiàn)做在PCI卡(安全性算法協(xié)處理器)上，實現(xiàn)協(xié)議中的安全性算法。在安全性算法協(xié)處理器中，F(xiàn)PGA執(zhí)行加密解密操作，PIC控制器(用Zenic公司的 ZEN7201AF)作為PIC總線與協(xié)處理器的接口，SRAM存置FPGA的配置數(shù)據(jù)，配置控制器 (用Xilinx公司的XC95108-7實現(xiàn))輸出地址和數(shù)據(jù)信號對FPGA進行配置，用Realtek公司的網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS實現(xiàn)PCI卡與網(wǎng)絡(luò)連接，協(xié)處理器的結(jié)構(gòu)見圖5。而FPGA的配置數(shù)據(jù)(加密算法的FPGA高速實現(xiàn))放在硬盤上，通過操作系統(tǒng)BSD Unix 4.4中的PCI卡設(shè)備驅(qū)動程序，經(jīng)由PCI總線下載到安全性算法協(xié)處理器的SRAM中，后用各種加密算法的配置數(shù)據(jù)對FPGA進行配置，實現(xiàn)真正“現(xiàn)場可編程”，各種加密解密算法都可以通過FPGA的內(nèi)部配置用硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了。

在軟件控制方面，安全性算法協(xié)處理器驅(qū)動程序是通過函數(shù)Sebsw_intr()直接控制協(xié)處理器，此函數(shù)有來自網(wǎng)絡(luò)控制器的中斷和來自操作系統(tǒng)內(nèi)核的時鐘中斷兩個輸入；Sebsw_hdr_chk()檢驗消息包的頭部，如果發(fā)生硬件中斷，Sebsw_intr()調(diào)用Sebsw_hdr_chk()函數(shù)；函數(shù)ether_input()檢查接收到的數(shù)據(jù)類型，將接收到的分組加入到隊列處理；函數(shù)ipinput()決定分組的最終地址，如果最終地址為本地地址，函數(shù)將分組傳給更上一層軟件，如果最終地址為非本地地址，則將分組傳給ip_forward()；函數(shù)ip_output()從收到的數(shù)據(jù)中生成IP數(shù)據(jù)包，然后Sebsw_start()將數(shù)據(jù)包傳給網(wǎng)絡(luò)控制器。軟件控制結(jié)構(gòu)見圖6。

    結(jié)束語

    實驗結(jié)果表明，在FPGA的頻率為31.42MHz時，數(shù)據(jù)處理速度為214Mb/s，完全滿足設(shè)計要求。本設(shè)計是課題“因特網(wǎng)協(xié)議安全性(IPSec)標(biāo)準FPGA高速實現(xiàn)”的一部分，設(shè)計中還將包括三重DES算法、IDEA算法、高級加密標(biāo)準AES等。