基于FPGA的哈希函数的实现

论文总字数：49944字

摘 要

随着现代社会信息技术的不断发展，目前人们越来越关心的层面就是信息安全，哈希函数可以校验数据的完整性和防止数据被篡改，比传统的信息密码函数具有更好的防碰撞能力和不可逆性。在信息的保护和传输中，结合其他信息安全技术。选择硬件实现哈希函数可以提高运算速度，降低功耗。

因此，本文基于FPGA的硬件平台，利用硬件电路描述语言，实现了SHA256哈希函数的设计与实现，，最终使用mode仿真软件进行仿真实验，验证了函数的正确性，测试了性能。。

关键词：信息安全；SHA256；哈希算法；硬件仿真

Implementation of hash function based on FPGA

Abstract

With the development of information technology in modern society, people are more and more concerned about the level of information security. Hasche function can verify the integrity of data and prevent data from being tampered with, it has better anti-collision ability and irreversibility than the traditional information encryption algorithm. In the protection and transmission of information, combined with other information security technology. Choosing hardware to implement the Hasche Algorithm increases speed and reduces power consumption. Therefore, the hardware platform based on FPGA is designed by hardware circuit description language, and the encryption function of Sha256 is implemented by simulation software.

Keywords: Information security; SHA256; Hash algorithm; Hardware simulation

目录

摘 要 Ⅲ

Abstract Ⅳ

第一章 绪 论 1

1.1 研究意义 1

1.2 研究背景 1

1.3 本文主要内容及章节安排 2

第二章 哈希函数简介 4

2.1 哈希函数的特点 4

2.2 安全哈希标准 5

2.3 硬件实现方法 5

第三章 SHA256函数原理及实现 6

3.1 SHA2系列函数 6

3.2 SHA256函数具体介绍 6

3.3 SHA256函数的描述 7

3.3.1 附加以及填充bit 7

3.3.2 数据缓存及扩展 8

3.3.3 数据的循环处理 9

第四章 SHA256的硬件实现及仿真 11

4.1 函数的模块 11

4.1.1 数据计算模块 11

4.1.2 扩展数据模块 12

4.1.3 综合模块 12

4.2 实现流程 13

4.2.1 数据初始化及附加填充 14

4.2.2 数据扩展及循环运算 14

4.2.3 输出校验 15

4.3 仿真结果 16

第五章 总结与展望 17

参考文献 18

致 谢 19

附 录 20

第一章 绪论

1.1 研究意义

现代化社会的飞速发展，使得电脑手机和互联网能够普及，微博、贴吧等互联网交流平台促使每个人都能够更加方便的进行沟通，它们在提高我们生活水平质量的同时，也在悄无声息的影响着我们生活的方式，但是这个快速发展的网络时代在提供便利的同时，也带来了很多的未知且可怕的危险，私人信息和个人数据毫无保留的暴露在网络并存储在介质中，之后可能便是一些不法分子利用我们的这些私人信息进行违法交易，导致我们会有会有恶劣的后果，小到金钱名誉的损失，大到人身安全受到伤害，因此个人的信息和数据安全才开始慢慢的被人们所重视。

最传统的也是最常见的保护私人数据信息的方法就是把加密后的信息储存或者发送，所以各式各样的密码算法便被研发出来，并得到了广泛的使用。密码体制的核心部分就是加密算法和解密算法，可以把密码算法当做一个函数，存在着输入和输出，当输入的为原文时，经过解密就是进行函数的变换，输出的即是加密后的密文。但是函数总是一个固定不变映射计算，当映射关系发生冲突或者泄漏，显然密码算法就会存在着问题，由于这些本身即存在的缺陷，科技的发展和生活安全也面临着巨大的风险，所以人们迫切的需要安全性更高的密码算法体制，安全散列算法(SHA)就在这个前提下被创造出来。初代SHA函数SHA1于1993年提出并使用，最初也是极其安全的函数且很久都没能被破解，但是随着人们所掌握的技术不断提高和科技的创新，经过权威机构的研究与判定，也是存在各种各样的漏洞，危险性越来越高，也是由于SHA1的造假成本快速的变低，所以针对SHA1的改进和研究是非常有必要的一个方向。经过不断地探究与摸索，相比较于SHA1函数来说，改进后的SHA256函数具有了划时代意义上的安全性能的提升，能够加密的原文数据更长，在以64次迭代循环的计算方式下仍具有着很高的安全性能，防破解能力也是相比较于之前一系列的算法有着很大的进步，成为了信息技术发展的坚实后盾。

1.2 研究背景

随着加密算法和计算机互联网等相关技术的不断成长，信息数据可以帮助更多的团体和个人，使之能够享受到更多的红利，但是信息数据也可以对他们造成不可估量的损失，因此信息的原始性和准确性变得重要起来。最原始且且最安全的手段就是将隐私数据加密保存或者发送，防止被一些心怀不轨的人利用隐私数据做出一些违反法律和道德的事情。比如在国家层面上，外国间谍经常会窃取我国的情报向他国透露，因此我国遭受了巨大的损失。所以有一种安全性能很高的机密手段来保护我们的隐私数据不被破坏成为了目前人们迫切希望的事情。密码算法因此成为了保证信息不被修改、破坏和传播的重要技术手段，在电子互联网平台、金融贸易、国家安全、数据存储等有关信息安全的领域，成为了很重要的安全服务类型。

计算机与电子科技的发展带动了加密算法与密码学的进步，而同样加密技术的进步也在保障且激励着电子信息技术的前进，当电子信息技术越来越受到人们重视的同时密码学的发展与慢慢的进入了前进的轨道，因为密码学是一个长盛不衰的技术，当进入了高速发展的时期之后，越来越多的算法才能不断的的被创造出来，越来越多老的算法也会不断地改进并重新进入到人们的视野当中，但是也会由于更新换代快速的原因导致一些算法没能经受住时间的验证和后人的研究，慢慢的就会暴露出更多的漏洞，但也许可能就是因为这些漏洞，才能使电子信息技术不断的进步。密码学的发展不仅仅可以刺激到电子产业，也会因为算法本身的逻辑信息而刺激到其他产业，比如思维性和严谨性很强的数字化产业，所以密码学的发展只会越来越重要，而不会越来越低迷。其实密码学简单的解释就是将一段数据通过算法和密钥变成一段加密之后的密文，至于密文是何种形式也是不能确定的。因为加密算法是密码学的主体，所以加密算法的可靠性成为了至关重要的一项能力，因为算法的研究主体就是可靠性，只有算法的性能提高了才能够是算法更加完美，才能够真正刺激到密码学的进步。利用密码技术对信息进行加密的手段，相当于把数据信息换成了另外一种表达方式，看似和原文数据没有了任何的联系，从而达到了对于信息数据的保护能力。

哈希函数是目前最安全且适用范围最广泛的一个系列函数，经过了时间的验证之后更新换代了很多种函数，也是在有关于数据安全相关产业中应用最广泛的一种算法，哈希函数能够满足单一性、映射分布均匀性、差分分布均性和抗冲突性，目前最典型且应用最为广泛的哈希函数类型有：MD4、MD5、SHA1、SHA2。其中MD5、SHA1和SHA2都是在MD4的基础上进行设计的，其他还有一些哈希函数类似于MD2、N-HASH等等，同时还有很多的函数都在发展的历史中被发现存在的缺陷越来越来从而不被使用，所以现在所广泛使用的的哈希系列函数中都能够满足最基本的安全算法的特性，不仅仅具有着单向性和抗冲突性，而且每一种算法都有着属于独有的特点，是破解算法的唯一途径只能是枚举法，极大地提高了用户数据的安全性。

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