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基于FPGA的SHA256高效数字加密系统

作　者: 刘钰力
导　师: 周庆国
学　校: 兰州大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: SHA256 FPGA WISHBONE 哈希算法加密
分类号: TP309.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 41次
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内容摘要

高效的哈希算法的研究是当前安全领域研究的热点。本文以FIPS180-2 (Federal Information Processing Standards美国联邦信息处理标准)标准中的SHA256(Secure Hash Algorithm)为研究基础,以FPGA(Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列)为实现介质,结合硬件编程所独具的一些特性,在FPGA芯片上实现了由SHA256哈希加密算法以及WISHBONE总线组成的加密系统。传统的软件实现的SHA256加密算法,在进行加密运算的时候会占用大量的CPU机时,同时存在着被暴力破解等安全隐患。本文使用CESYS公司的PCIe4BASE开发板,在Xilinx Virtex4 XC4VLX25 FPGA芯片上实现了一个加密系统,其组成分为SHA256核以及WISHBONE总线两个部分。在FPGA上通过VHDL语言实现的SHA256算法的过程中,在提高系统工作频率上利用FPGA硬件编程中的流水线操作以及数据并行处理的特性,对SHA256算法进行优化。在可编程资源的利用率上,使用FPGA上的Block RAM作为中间数据的存储介质,降低了FPGA编程资源Slices的使用。最终实现的加密系统在经过布局(Place&Route)后,SHA256的最高工作频率为125.187Mhz,数据吞吐量为942Mbps,处理一个512bits的数据块需要68个时钟周期。最后通过软件和硬件实现的SHA256加密系统的比较,体现出硬件加密所具有的优势以及广阔的发展前景。

全文目录

中文摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章绪论  8-12
  1.1 研究背景  8-10
  1.2 研究内容  10
  1.3 文章结构  10-12
第二章论文相关内容简介  12-20
  2.1 FPGA简介  12-15
    2.1.1 FPGA特性  13
    2.1.2 Xilinx XC4VLX25简介  13-15
  2.2 哈希算法  15-16
    2.2.1 安全哈希标准(Secure Hash Standard)  15-16
  2.3 WISHBONE总线  16-20
    2.3.1 WISHBONE总线工作模式  18-20
第三章系统架构与原理  20-26
  3.1 SHA256哈希函数  20-25
    3.1.1 SHA256具体函数介绍  20-21
    3.1.2 SHA256算法描述  21-25
      3.1.2.1 附加填充数据信息  21-22
      3.1.2.2 数据块扩展  22
      3.1.2.3 循环迭代计算  22-25
      3.1.2.4 哈希值输出  25
  3.2 WISHBONE总线  25-26
    3.2.1 共享总线连接方式  25-26
第四章加密系统架构设计与实现  26-44
  4.1 开发环境搭建  26-28
    4.1.1 软件环境搭建  26-28
      4.1.1.1 Xilinx FPGA开发套件ISE Suit安装  26-28
      4.1.1.2 开发板运行环境Debian Linux安装  28
    4.1.2 硬件环境搭建  28
  4.2 SHA256核心模块的设计  28-40
    4.2.1 前端数据处理模块设计  30-32
      4.2.1.1 数据长度统计  31
      4.2.1.2 附加信息填充  31-32
    4.2.2 SHA256哈希值计算  32-40
      4.2.2.1 数据块扩展模块  32-35
      4.2.2.2 循环计算模块  35-38
      4.2.2.3 哈希值输出控制模块  38-40
  4.3 WISHBONE总线设计  40-41
    4.3.1 WISHBONE总线控制模块  40
    4.3.2 SHA256总线接口模块  40-41
  4.4 SHA256各版本区别  41-42
  4.5 SHA256时序仿真  42-44
第五章系统性能分析  44-48
  5.1 SHA256核性能分析  44-45
  5.2 SHA256硬核与软核的性能比较  45-46
  5.3 加密系统性能分析  46-47
  5.4 硬件加密系统的优势  47-48
第六章总结与展望  48-51
参考文献  51-52
在学期间研究成果  52-53
致谢  53

基于FPGA的SHA256高效数字加密系统

内容摘要

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