用CPLD实现Gollmann密钥流发生器

出处：computer00 发布于：2007-04-29 11:49:21

摘要：本文根据Gollmann密钥流发生器的原理和伪随机序列产生的程序，利用VHDL语言和CPLD，设计出Gollmann密钥流发生器。该发生器满足一般的加密要求，可以保护信息传输的安全。
关键词：Gollmann ；VHDL ；CPLD；伪随机序列

引言
对通信数据进行加密的方法可分为两大类：软加密和硬加密。其中硬加密具有加密强度大、可靠性高等特点。本文根据流密码发生器原理，用CPLD设计出了Gollmann流密码发生器。

原理
密码安全的伪随机序列发生器用于流密码时十分理想，这些发生器的输出与真正随机的位发生器难以区分，只需将发生器的输出与明文流异或就可以得到良好的流密码。
Gollmann流密码发生器由一串LFSR(线性反馈移位寄存器)构成，每个LFSR的时钟由前一个LFSR控制，如果t-1时刻LFSR-1的输出为1，则LFSR-2在t时刻阶跃；如果t-1时刻LFSR-2的输出为1，则LFSR-3在t时刻阶跃，以此类推，一个LFSR的输出为发生器的输出。如果所有LFSR的长度都为l，则n个LFSR构成的系统的线性复杂度为：
l*(2l-1) n-1

流密码发生器的设计
根据Gollmann流密码发生器的原理设计的发生器的原理框图可用MAX+plusII的电路图方式表示，如图1所示。
在Gollmann流密码发生器中，LFSR是其重要的组成部分。本文只采用了3级LFSR，其中LFSR长度为4比特，其生成多项式为x4+x1+1；LFSR16长度为16比特，其生成多项式为x16+x5+x3+x2+1；LFSR32长度为32比特，其生成多项式为x32+x7+x6+x2+1。
其中LFSR的VHDL程序描述如下：
entity lfsr is
port(clk,en:in std_logic;
data:out std_logic);
end entity;
architecture bev of lfsr is
signal sh:std_logic_vector(0 to 3);
begin
process(clk,en)
begin
if en='0' then
sh<="1111";
elsif clk='1' and clk'event then
sh(3)<= sh(3) xor sh(0) ;
for i in 1 to 3 loop
sh(i-1)<=sh(i);
end loop;
data<=sh(0);
end if;
end process;
end bev;
Gollmann流密码发生器的工作流程为：在初始时刻，使能信号en为1时将所有LFSR中的寄存器赋值为1。随着时钟clk下降沿的到来，将个LFSR的输出信号与输入信号1异或，再将其结果和clk进行与运算作为第二个LFSR的输入，同时该异或结果还将和第二个LFSR的输出进行异或。异或后的结果既同clk做与运算后作为第三个LFSR的输入，同时又与第三个LFSR的输出做异或运算。第三次异或后的结果即为Gollmann流密码发生器的输出结果。
本文选用Altera公司的MAX+plus II 10 Baseline对VHDL源程序编译，这个工具支持VHDL的编译和仿真。对Gollmann流密码生成器的程序进行仿真，结果如图2所示。
图2中en为使能信号，clk为50MHz的时钟信号，dataout为输出信号。Lfsr32sh，lfsr16sh，lfsrsh为各个LFSR寄存器值的变化过程。
在所有LFSR初始值都为1时(初始值不同，输出的结果就有所不同)，Gollmann流密码生成器所产生的输出类似于随机序列，如图2中dataout所示，可以满足一般的加密要求。