数字签名算法SHA-1的FPGA高速实现

摘 要：随着网络的迅速发展，信息安全越来越重要，信息认证是验证收到信息来源和内容的基本技术。常用的信息验证码是使用单向散列函数生成验证码，安全散列算法SHA-1使用在是因特网协议安全性(IPSec)标准中。在设计中使用FPGA高速实现SHA-1认证算法，以PCI卡形式处理认证服务。

关键词：数字签名算法；现场可编程门阵列(FPGA)；计算机安全

引言

随着网络的迅速发展，对安全性的需要越发重要。然而，尽管网络技术进步很快，安全性问题仍然相对落后，并且在很多情况下只能靠虚拟私人网VPN和防火墙。因虚拟私人网是构建在Internet外部结构上的，必须采取某些措施保证安全性问题。一种方法是使用因特网协议安全性(IPSec)标准。IPSec是一组协议，它在IP协议层提供安全保密的通信。IPSec协议有通道和传输两种通信模式，为了保证在高速通信中的数据安全，在设计中使用硬件加速来实现IPSec中的加密和认证。IPSec中的加密部分使用三重DES算法，或使用RC5、IDEA、Blowfish和CAST-128等算法作为加密手段。在IPSec协议中认证使用SHA-1和MD5单向散列函数算法实现，通过使用FPGA高速实现SHA-1消息认证算法。

SHA-1算法介绍

安全散列算法SHA(Secure Hash Algorithm，SHA)是美国国家标准和技术局发布的国家标准FIPS PUB 180-1，一般称为SHA-1。其对长度不超过264二进制位的消息产生160位的消息摘要输出，步骤如下。

首先填充消息使其长度恰好为一个比512的倍数仅小64位的数。填充方法是附一个1在消息后面，后接所要求的多个0，然后在其后附上64位的消息长度(填充前)，使消息长度恰好是512位的整数倍。

5个32位变量，用十六进制表示初始化。然后开始算法的主循环，一次处理512位消息，循环次数是消息中512位分组的数目。

先把这五个变量复制到另外的变量中，A到a，B到b，C到c，D到d，E到e。

主循环有4轮，每轮20次 *** 作，每次 *** 作对a、b、c、d、e中的3个进行一次非线性运算，后进行移位和加运算，运算的过程见图1。a、b、c、d和e分别加上A、B、C、D和E，然后用下一数据分组继续运行算法。最后的输出由A、B、C、D和E级联而成。

SHA-1算法的FPGA实现

实现SHA-1算法时，用软件先对消息进行预处理，使消息长度恰好是512位的整数倍，再以FPGA实现对消息摘要计算的加速。

FPGA的编程一般用Verilog HDL或者VHDL进行，本设计采用了VHDL语言对SHA-1算法进行描述。SHA-1算法FPGA加速实现分为两大部分，分别是80个32位临时值Wt(W0至W79)的生成，以及对32位临时值Wt循环处理生成160位的消息摘要。图2为将子分组Mj(0≤j≤15)变成80个32位Wt(Kt至W79)的电路框图，在设计时，用512位寄存器和2个多路选择器生成临时值Wt(0≤t≤79)。

图3中160位输入数据缓冲器用来放置初始数据(5个32位变量A、B、C、D和E)，而F1234代表SHA-1算法中的4组非线性函数ft(X,Y,Z)，根据需要用多路选择器Mux-1选择其中一个(ft(X,Y,Z)=(X∧Y)∨((X)∧Z)，对于t=0至19；ft(X,Y,Z)=X臲臵，对于t=20至39；ft(X,Y,Z)=(X∧Y)∨(X∧Z)∨(Y∧Z)，对于t=40至59；ft(X,Y,Z)=X臲臵，对于t=60至79)，4个常数为Kt存在ROM中(即组件)，32×5加法器将5个32位数相加，为加快相加的计算速度使用先行进位加法器来执行，具体连接结构见图4。