[發明專利]一種基于可逆邏輯門的DES加密系統的運算單元設計方法

無效

• 申請號: 200910031130.0
• 申請日: 2009-04-28
• 公開（公告）號: CN101546994A
• 公開（公告）日: 2009-09-30
• 發明（設計）人: 管致錦;朱文穎;倪麗惠
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: H03K3/037
• 分類號: H03K3/037;H04L9/06
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司
• 代理人: 顧伯興

技術領域

本發明涉及一種DES加密系統的運算單元，特別涉及一種基于可逆邏輯門的低功耗DES加密系統的運算單元。

背景技術

DES加密算法是至今為止在加密系統中應用最廣泛的私有加密算法，通常分為硬件和軟件實現兩種形式，盡管軟件實現加/解密的過程方便且設計靈活，但加/解密過程的計算量大，實現速度較慢且安全性不能得到保證。而硬件實現加/解密具有高速度、高可靠性等特點，可以應用在智能卡、移動電話、無線傳感器等移動設備。而這些移動設備對功耗要求非常苛刻，因此，研究如何設計低功耗的加密系統具有重要的意義。

Landauer指出，不可逆邏輯計算中，每比特信息的丟失，產生kTln2焦爾的熱量，這里k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度。不考慮材料和工藝因素，傳統電路中能量的消耗是由計算的不可逆性引起的。Bennett證明了如果計算是以可逆的方式進行，將不會產生kTln2的能量消耗，因此一個系統能量消耗的總量與計算時丟失的比特數有直接的關系。只有當系統是由可逆門組成時，才可以實現可逆計算。可逆邏輯操作不丟失信息且消耗非常少的熱量。因此，用可逆邏輯門設計成的電路單元去構建DES加密系統，可以大大的降低系統能耗。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于低功耗DES加密系統的運算單元，及該運算單元中的可逆D觸發器，用來解決DES加密系統中功耗要求比較高的數據加密問題。

本發明通過以下的技術方案實現的：

一種用于低功耗DES加密系統的可逆D觸發器，由第一Fredkin門、第一Feynman門、第二Fredkin門、第二Feynman門級聯而成，第一Fredkin門的第二比特輸出作為第一Feynman門的第一比特輸入，第二Fredkin門的第三比特輸出作為第二Feynman門的第一比特輸入，第一Feynman門的第一比特輸出作為第二Fredkin門的第三比特輸入，且第一、第二Feynman門的第二比特輸出分別反饋至第一、第二Fredkin門的第二比特輸入。

一種用于低功耗DES加密系統的運算單元，其通過可逆移位寄存器，Fredkin門，Feynman門，可逆寄存器以及S盒，P盒以及擴展置換單元級聯而成，所述Fredkin門實現數據選擇功能，所述Feynman門實現異或功能。

本申請對DES加密系統中運算單元的主要器件進行了基于可逆邏輯門的可逆設計，避免了系統中因邏輯信息位的丟失產生的能量損耗，減少了系統能耗。

附圖說明

圖1：可逆D觸發器的結構。

圖2：基于可逆邏輯門的運算單元的結構框圖。

圖3：由可逆D觸發器構成的n位可逆移位寄存器。

圖4：由可逆D觸發器構成的n位可逆寄存器。

具體實施方式

DES加密系統包括三部分：控制單元、密鑰單元和運算單元。控制單元主要是由計數器構成；密鑰單元主要由數據選擇器，移位寄存器以及異或門等器件組成；運算單元主要由移位寄存器構成。對各功能單元中的器件采用可逆邏輯門設計，進而完成各功能單元的可逆設計，可以避免系統中因邏輯信息位的丟失產生的能量損失，減少系統能耗。

本申請主要介紹加密系統中基于可逆邏輯門設計的運算單元。

運算單元在控制單元的控制下，接收明文或密文，利用密鑰單元產生的子密鑰對數據進行初始置換，循環迭代和逆初始置換，最后輸出密文或明文。接收和發送數據可以通過移位寄存器來實現，并利用置換的規則，通過連線的方式完成初始置換和逆初始置換。迭代運算的過程主要包括擴展運算E，S盒運算和P盒運算。本申請中擴展后的48位數據通過一個Feynman門與子密鑰進行異或，再經過ROM形式的S盒變換為32位數據，最后通過P置換得到輸出數據。這里的擴展運算和P置換僅需要一些連線資源。具體運算單元的可逆設計如圖2所示，接收的明文或密文經過可逆移位寄存器，輸出分成相等的兩部分，分別作為上Fredkin門第二比特和下Fredkin門第三比特的輸入，兩個Fredkin門的第三比特輸出為經過選擇后的數據，分別送入兩個擴展置換單元。上擴展置換單元擴展置換后的輸出直接送入上可逆寄存器單元；下擴展置換單元擴展置換后的輸出作為左Feynman門的第一比特輸入，左Feynman門的有效輸入經過S盒、P盒單元后作為右Feynman門的第二比特輸入。下可逆寄存器的輸出反饋至上Fredkin門的第三比特輸入，同時作為右Feynman門的第一比特輸入；上可逆寄存器的輸出則反饋至下Fredkin門的第二比特輸入。