1 引言

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信安全問題日益突出?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）以其自身設(shè)計(jì)靈活、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于加密領(lǐng)域。硬件實(shí)現(xiàn)的加密算法不占用計(jì)算機(jī)資源．加密過程完全與外部總線隔離，具有較高的數(shù)據(jù)保護(hù)能力。算法可靈活改變，具有較強(qiáng)的獨(dú)立性。加密機(jī)由單片機(jī)，F(xiàn)PGA和El通信接口組成。FPGA內(nèi)部算法由VHDL語(yǔ)言編寫。該系統(tǒng)適用于要求數(shù)據(jù)安全較高的場(chǎng)合，其終端可為計(jì)算機(jī)，銀行POS機(jī)等，提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄浴?/p>

2 流加密解密原理及算法

2．1 流加密解密原理

流密碼由密鑰和密碼算法兩部分組成，密鑰一般存儲(chǔ)在加解密設(shè)備內(nèi)部，在數(shù)據(jù)傳輸前已設(shè)置完成。密碼算法在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是不變的。在同步流密碼中，只要發(fā)送端和接收端有相同的密鑰和內(nèi)部狀態(tài)，就能產(chǎn)生相同的密鑰流。

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，加密端和解密端使用同一個(gè)初始密鑰，加密時(shí)密碼流與明文相異或得到密文，同時(shí)每隔一定時(shí)間加入同步數(shù)據(jù)；解密時(shí)以同步模式產(chǎn)生的密文與密碼流進(jìn)行異或得到明文，同步模式采用63位Gold碼。整個(gè)加解密過程與發(fā)送數(shù)據(jù)格式如圖1所示。在發(fā)送密文中加入初始同步碼，接收端利用Gold碼的三值特性檢測(cè)Gold碼實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)。對(duì)接收數(shù)據(jù)流和Gold碼做互相關(guān)運(yùn)算，相關(guān)結(jié)果滿足Gold碼的三值特性，說明當(dāng)前數(shù)據(jù)流是發(fā)送端加入的同步Gold碼．標(biāo)志為密文的起始，然后調(diào)用解密算法對(duì)后續(xù)的密文解密，恢復(fù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

2．2 A5／1算法原理

A5／1引是GSM移動(dòng)通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髅艽a加密算法。A5／1密碼流產(chǎn)生器生成的密碼與明文數(shù)據(jù)幀的每一位相異或得到密文序列。A5／1算法由3個(gè)不同長(zhǎng)度的線性反饋移位寄存器R1，R2，R3組成，其長(zhǎng)度分別為19，22，23位，其反饋特征方程分別為：x18+x17+x16+x13+1，x22+x21+x20+x7+1。算法的初始密鑰是64位向量。密碼流輸出位為3個(gè)移位寄存器的異或輸出。移位寄存器的使能由多數(shù)函數(shù)控制。Rl的第8位、R2的第10位、R3的第10位為多數(shù)函數(shù)數(shù)據(jù)輸入，它們決定3個(gè)移位寄存器的移位狀況。在這3個(gè)數(shù)據(jù)位中，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的都為0，多數(shù)函數(shù)值就為0；如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的都為1，多數(shù)函數(shù)值就為1。多數(shù)函數(shù)輸入的3個(gè)數(shù)據(jù)位中與多數(shù)函數(shù)值相同，相應(yīng)的移位寄存器就移位。A5／1的硬件實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。密碼流的產(chǎn)生分兩個(gè)階段．第一階段給寄存器裝人64位初始值；第二階段則根據(jù)時(shí)鐘節(jié)拍和使能控制產(chǎn)生密碼流。

2．3 W7算法原理

W7H算法與A5／1算法在結(jié)構(gòu)原理上有相似之處。W7算法由8個(gè)類似于A5／1算法硬件結(jié)構(gòu)模塊并行組成，每一個(gè)模塊都包含3個(gè)線性反饋移位寄存器和多數(shù)函數(shù)。不同的是w7算法是128位的初始密鑰，線性反饋移位寄存器的長(zhǎng)度圖2 A5／1算法的硬件實(shí)現(xiàn)原理和反饋結(jié)構(gòu)都不同于A5／1算法。3個(gè)線性反饋移位寄存器長(zhǎng)度分別為38、43、47位。8個(gè)并行模塊采用同一初始密鑰。但反饋結(jié)構(gòu)和多數(shù)函數(shù)的輸入位均各不相同。8個(gè)模塊的輸出組成8位密碼流，加密效率更高。各線性移位寄存器由固定數(shù)據(jù)位通過邏輯與產(chǎn)生1位數(shù)據(jù)，再將該位數(shù)據(jù)與最高位輸出異或，最后將3個(gè)移位寄存器輸出再異或輸出作為本并行塊的密碼位輸出。由于有8個(gè)并行塊，最后總的輸出8 bit，即1字節(jié)。設(shè)計(jì)時(shí)，每隔8個(gè)時(shí)鐘周期輸出一次，保證數(shù)據(jù)速率的一致性。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由單片機(jī)，F(xiàn)PGA和El接121等組成，如圖3所示。單片機(jī)用于輸入用戶初始密鑰；FPGA負(fù)責(zé)密鑰流產(chǎn)生以及加解密；E1接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收，完成HDB3碼和TTL電平之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)通信接口單元和協(xié)議數(shù)據(jù)處理單元之間的全雙工通信。

由于通信鏈路采用E1標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外部數(shù)據(jù)鏈路接121采用E1接口，選用接口器件DS21348。DS21348支持El和T1線接口單元，通過寄存器設(shè)置選擇E1線接口單元。DS21348可配置為硬件模式，完成HDB3到TTL、TTL到HDB3的電平轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)信號(hào)格式轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)幀處理。該系統(tǒng)可并行處理兩路數(shù)據(jù)，一路加密，一路解密，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

由于TI公司的MSP430系列微處理器平臺(tái)具有低功耗和小體積等特點(diǎn)，適合便攜式應(yīng)用場(chǎng)合，所以單片機(jī)采用MSP430系列，并通過SPI接口實(shí)現(xiàn)與FPGA的數(shù)據(jù)通信。單片機(jī)外接一鍵盤，用于輸入初始密鑰?？紤]到用戶輸入密鑰位數(shù)不能很多，可設(shè)置簡(jiǎn)短的密鑰，并在單片機(jī)內(nèi)部擴(kuò)展至算法所需的位數(shù)，然后通過單片機(jī)SPI接口傳送至FGPA。SPI接口共4條信號(hào)線：串行時(shí)鐘（SCK），主機(jī)輸出／從機(jī)輸入（MOSI），主機(jī)輸入／從機(jī)輸出（MISO），從機(jī)片選（SS）。SPI接口可配置為主或從模式。設(shè)計(jì)配置為主模式。當(dāng)單片機(jī)向FPGA傳輸命令或數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用SPIO模式。當(dāng)片選信號(hào)丙拉低，在每個(gè)時(shí)鐘（SCK）的上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，無(wú)需FPGA向單片機(jī)輸人數(shù)據(jù)，所以不使用MISO數(shù)據(jù)線。片選信號(hào)SS與FP-CA的RAM的使能相連，控制數(shù)據(jù)讀入。當(dāng)用戶輸人初始密鑰后，經(jīng)過數(shù)據(jù)擴(kuò)展，與算法選擇數(shù)據(jù)通過SPI接口傳送至FPGA。SPI接口時(shí)序如圖4所示。

FPGA采用CyeloneII系列中的EP20F256C6，該器件是低成本架構(gòu)FPGA，可提供多達(dá)18 752個(gè)邏輯單元．152個(gè)用戶IO，239 616 bit的存儲(chǔ)位，密度超過CyeloneI FPGA的3倍，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。CycloneII FPGA內(nèi)部的邏輯資源可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用。CyeloneII器件采用的低成本串行配置器件，這種串行配置器件最大可提供64 Mbit的nash存儲(chǔ)器。所以，采用EP20F256C6可高效完成系統(tǒng)核心算法，有效節(jié)約成本。其內(nèi)部算法由VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。主要程序模塊：加解密算法模塊（A5／1和W7）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、同步產(chǎn)生模塊、同步檢測(cè)模塊。加密和解密各有一套獨(dú)立的模塊集合。其中A5／1算法模塊的VHDL代碼如下：

FPGA的模塊控制由兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)機(jī)組成，用于處理加密算法和解密算法，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示。

系統(tǒng)上電初始化后，由用戶向單片機(jī)輸入初始密鑰和算法選擇數(shù)據(jù)，通過SPI接口送入FPGA，F(xiàn)PGA接收到密鑰后將初始密鑰傳給算法模塊，算法模塊初始化后產(chǎn)生同步Gold碼，并等待數(shù)據(jù)，當(dāng)待加密數(shù)據(jù)有效時(shí)，啟動(dòng)加密算法；當(dāng)數(shù)據(jù)無(wú)效時(shí)，再次進(jìn)入等待數(shù)據(jù)狀態(tài)。相應(yīng)地，解密模塊先檢測(cè)起始的同步Gold碼，檢測(cè)到后，當(dāng)待解密數(shù)據(jù)有效時(shí)，啟動(dòng)解密算法，當(dāng)待解密數(shù)據(jù)無(wú)效時(shí)，再次進(jìn)入等待數(shù)據(jù)狀態(tài)。如此往復(fù)，完成數(shù)據(jù)的加密解密過程。在密鑰傳輸過程中，由于兩種算法所需的初始密鑰位數(shù)不同，當(dāng)使用w7算法時(shí)，初始密鑰在送入FPGA中后還需二次擴(kuò)展達(dá)到所需的位數(shù)。

4 仿真與分析

采用QuartuslI 8．0軟件仿真FPGA功能。共用4 865個(gè)邏輯單元，1 024 bit的片上存儲(chǔ)位，時(shí)序分析得到最大工作頻率為95．79 MHz。仿真加密時(shí)序如圖6所示。

5 結(jié)論

通過對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的調(diào)試驗(yàn)證，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。整個(gè)系統(tǒng)具有較高的安全性和保密性，可為要求通信安全的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供一種基于硬件的加密方式，基于FPGA的加密算法設(shè)計(jì)具有很高的靈活性，如果采用更加先進(jìn)的加密算法，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性和保密性。