安全通信系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要：本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信過程中存在信息泄露、信息篡改、非法用戶入侵等安全威脅而設(shè)計(jì)的一套基于FPGA平臺(tái)的的網(wǎng)絡(luò)通信安全傳輸系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)通信；FPGA；加密.

緒論

　　信息安全的解決方案目前主要集中于采取單一的措施來保證信息的安全性，針對(duì)各種攻擊手段，防范措施主要集中于信息加密技術(shù)、安全交換機(jī)技術(shù)、防火墻技術(shù)、認(rèn)證技術(shù)，入侵檢測(cè)技術(shù)等，這些技術(shù)從不同的方面對(duì)安全性提供了較好的保障，但各有缺點(diǎn)和不足，這將成為網(wǎng)絡(luò)防護(hù)的軟肋，因此，本文也嘗試性地提出了一種集數(shù)據(jù)加密技術(shù)和訪問控制策略于一體的信息安全解決方案。

　　加密算法的硬件實(shí)現(xiàn)具有高速率、高可靠性、高安全等特點(diǎn)，因此，加密算法在FPGA平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)是一種很好的硬件實(shí)現(xiàn)方案。本文在xilinx公司的spartan-3e平臺(tái)中構(gòu)建一個(gè)嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)安全網(wǎng)絡(luò)通信。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)主要針對(duì)信息傳輸過程中存在信息泄露、信息篡改、非法用戶入侵等安全威脅而設(shè)計(jì)的一套基于FPGA平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)信息安全傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式，因此，系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：客戶端和服務(wù)器端?？蛻舳俗鳛檎麄€(gè)系統(tǒng)的控制中心，根據(jù)實(shí)際需要，向服務(wù)器端發(fā)送請(qǐng)求，并顯示接收到的信息。服務(wù)器端響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求，發(fā)送相應(yīng)信息。服務(wù)器端和客戶端之間的信息都是經(jīng)過加密后進(jìn)行傳輸?shù)?，保證信息的安全可靠性。

系統(tǒng)服務(wù)器端設(shè)計(jì)

　　服務(wù)器端采用XILINX公司的Spartan-3e開發(fā)平臺(tái)，在該平臺(tái)上構(gòu)建基于MicrBlaze處理器和Xilkernel操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中通過定制AES加密IP、鍵盤IP、LCD IP、通用擴(kuò)展接口控制IP并添加EDK中自帶的網(wǎng)絡(luò)控制器IP、串口IP等，服務(wù)器端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。當(dāng)服務(wù)器端收到經(jīng)過AES加密的請(qǐng)求IP數(shù)據(jù)包時(shí)，在服務(wù)器端，信息需要經(jīng)過AES解密處理，根據(jù)解密后信息分析并提取請(qǐng)求方的ID信息和IP信息，客戶端的ID信息是唯一的授權(quán)證號(hào)，根據(jù)客戶端的ID信息，作出相應(yīng)的處理。

圖1 服務(wù)器端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)服務(wù)器端設(shè)計(jì)

　　客戶端同樣采用XILINX公司的Spartan-3e開發(fā)平臺(tái)，但該系統(tǒng)中只需要定制AES加解密IP、鍵盤IP、LCD IP并添加EDK中自帶的網(wǎng)絡(luò)控制器IP，客戶端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2圖所示?？蛻舳俗鳛檎麄€(gè)系統(tǒng)的控制中心，當(dāng)需要采集信息時(shí)，客戶端經(jīng)md5算法形成自己的唯一授權(quán)ID，指令信息和ID信息經(jīng)過AES加密后發(fā)送至服務(wù)器端，當(dāng)服務(wù)器端響應(yīng)其請(qǐng)求后，視其身份權(quán)限做出相應(yīng)處理。

圖2 客戶端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

　　該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)包括客戶端和服務(wù)器端。系統(tǒng)客戶端和服務(wù)器端的實(shí)現(xiàn)都是基于xilinx公司的spartan-3e平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的。
系統(tǒng)服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)

　　·AES算法的硬件實(shí)現(xiàn)

　　AES算法是一種迭代分組密碼，采用的是代替/置換網(wǎng)絡(luò)（SP）。AES加密算法的實(shí)現(xiàn)包括密鑰擴(kuò)展過程和加密過程。AES解密算法的實(shí)現(xiàn)包括密鑰擴(kuò)展過程和解密過程。解密過程與加密過程類似，是加密過程的逆運(yùn)算，AES加解密過程如圖3所示。

圖3 AES加解密過程

　　AES加解密算法通過硬件描述語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)，在該系統(tǒng)中采用VHDL語(yǔ)言編寫代碼。根據(jù)AES加解密算法的相似性，很多電路模塊可以共用，其占用資源可以盡可能的少。在該系統(tǒng)中采用密鑰長(zhǎng)度和分組數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度都為128bits，輸入信息都為字符型的數(shù)據(jù)，采用對(duì)字符加解密，因此，每一個(gè)字符都將對(duì)應(yīng)其ASCII值輸入。AES加解密實(shí)現(xiàn)主要有4個(gè)模塊：控制模塊、AES加解密運(yùn)算實(shí)現(xiàn)模、SBOX模塊、密鑰操作模塊，實(shí)現(xiàn)的框圖如圖3-2圖所示。
AES加解密模塊的實(shí)現(xiàn)經(jīng)過ISE 綜合后占用資源利用情況如表1所示。

表1 AES加解密資源利用表



圖4 AES加解密實(shí)現(xiàn)框圖

　　·接口模塊的實(shí)現(xiàn)

　　服務(wù)器端采用Spartan-3e平臺(tái)擴(kuò)展了PS2接口、16X2的LCD液晶顯示，3個(gè)6針的通用擴(kuò)展接口，這些接口方便了外設(shè)的連接和擴(kuò)展。鍵盤在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了單向通信，擴(kuò)展接口模塊通過平臺(tái)通用擴(kuò)展接口J1、J2、J3與外接設(shè)備進(jìn)行信息交互。Spartan-3e平臺(tái)通過串口DTE和GSM模塊進(jìn)行通信，將相應(yīng)的信息通過短信的方式發(fā)送到指定手機(jī)中。

　　各個(gè)接口模塊通過EDK添加自定義IP的方式添加到OPB總線中，其中鍵盤、LCD、串口DTE使用中斷。驅(qū)動(dòng)程序在自動(dòng)生成的驅(qū)動(dòng)程序模板基礎(chǔ)上完成各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序。

　　·網(wǎng)絡(luò)安全檢測(cè)及報(bào)警實(shí)現(xiàn)

　　服務(wù)器端通過添加EDK中網(wǎng)絡(luò)控制器IP核，移植LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)基于SOCKET的網(wǎng)絡(luò)通信。服務(wù)器端收到客戶端請(qǐng)求時(shí)，對(duì)接收到的IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行解密，對(duì)請(qǐng)求的IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，提取對(duì)應(yīng)的ID信息和IP信息，由于該ID信息是經(jīng)過md5算法產(chǎn)生的，因此該ID作為授權(quán)客戶的唯一ID，根據(jù)ID信息與授權(quán)的ID列表進(jìn)行比較，若為授權(quán)ID，則根據(jù)客戶請(qǐng)求把相應(yīng)的信息加密處理后發(fā)送至客戶端；若為非授權(quán)ID，則說明該網(wǎng)絡(luò)已存在非授權(quán)ID用戶，此網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在不安全性，則把提取的IP信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至指定接收端手機(jī)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和報(bào)警功能。

　　·服務(wù)器端軟件實(shí)現(xiàn)

　　服務(wù)器端構(gòu)建基于MicroBlaze處理器和Xilkernel操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，通過擴(kuò)展PS2鍵盤，LCD液晶顯示屏等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)具有良好的人機(jī)交互接口的系統(tǒng)。Xilkernel操作系統(tǒng)支持多線程操作，通過配置一些參數(shù)就可以靈活應(yīng)用。雖然其沒有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，但可以通過移植LwIP協(xié)議棧就可以實(shí)現(xiàn)基于SOCKET的網(wǎng)絡(luò)通信。

　　應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的初始化、系統(tǒng)對(duì)客戶端請(qǐng)求的處理、網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)及報(bào)警等。系統(tǒng)的初始化主要針對(duì)外設(shè)的初始化，LCD初始化工作：允許中斷函數(shù)microblaze_enable_interrupts()，初始化函數(shù)LCD INIT_LCD()，PS2 鍵盤初始化：初始化鍵盤函數(shù)init_kbd()，允許中斷函數(shù)enable_interrupt()，系統(tǒng)調(diào)用xilkernel_main()進(jìn)入xilkernel，創(chuàng)建socket_thread。初始化lwip，并創(chuàng)建socket_app_thread。該線程主要是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，通過IP4_ADDR()函數(shù)設(shè)定ip、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼。

　　當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，液晶顯示相關(guān)信息，當(dāng)出現(xiàn)等待鍵盤輸入密鑰時(shí)，輸入16個(gè)字符密鑰，同時(shí)對(duì)密鑰進(jìn)行密鑰確認(rèn)。系統(tǒng)調(diào)用socket()函數(shù)創(chuàng)建socket，調(diào)用listen()函數(shù)開始監(jiān)聽。

　　一旦接收到用戶請(qǐng)求時(shí)就創(chuàng)建socket_process_thread線程。在socket_process_thread線程中，提取IP數(shù)據(jù)包的相關(guān)信息，首先檢查客戶端發(fā)送的ID是否在授權(quán)ID列表之內(nèi)，如果ID無誤，將從無線模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行AES加密，發(fā)送加密過后的數(shù)據(jù)給客戶端。如果ID有錯(cuò)誤，提取其收到IP數(shù)據(jù)包中的IP，并啟用GSM模塊，將提得的IP通過短信發(fā)送給指定接收端。 

　　整個(gè)服務(wù)器端的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5圖所示。

圖5 服務(wù)器端軟件流程圖

系統(tǒng)客戶端實(shí)現(xiàn)

　　客戶端的系統(tǒng)構(gòu)建與服務(wù)器端相似，系統(tǒng)的原理可以參考服務(wù)器端的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)也包括系統(tǒng)的初始化，客戶請(qǐng)求的處理及解密處理，服務(wù)器端返回的信息處理。初始化外設(shè)，LCD初始化：允許中斷函數(shù)microblaze_enable_interrupts()，初始化LCD函數(shù)INIT_LCD()，PS2 鍵盤初始化：初始化鍵盤函數(shù)init_kbd()，允許中斷函數(shù)enable_interrupt()。系統(tǒng)調(diào)用xilkernel_main()進(jìn)入xilkernel，創(chuàng)建socket_thread。液晶顯示等待鍵盤輸入密鑰，輸入密鑰后需再次確認(rèn)密鑰，確認(rèn)成功后啟動(dòng)客戶端。初始化LwIP，并創(chuàng)建socket_app_thread。配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過IP4_ADDR()函數(shù)設(shè)定ip、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼。等待用戶按鍵，提出所要數(shù)據(jù)申請(qǐng)。調(diào)用socket()函數(shù)創(chuàng)建socket，連接server，發(fā)送經(jīng)過md5加密后的授權(quán)ID，等待server響應(yīng)。.當(dāng)接收到server返回的數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用AES解密模塊進(jìn)行解密。在LCD上顯示數(shù)據(jù)，并等待用戶再次提出所要數(shù)據(jù)申請(qǐng)?？蛻舳塑浖鞒虉D如圖3-4圖所示。

結(jié)論

　　該系統(tǒng)采用FPGA平臺(tái)構(gòu)建基于Microblaze軟核和Xilkernel操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。本文主要對(duì)下述內(nèi)容進(jìn)行了論述和自主開發(fā)：

　　1．AES加解密算法的原理介紹及基于FPGA的硬件自主實(shí)現(xiàn)。

　　2．構(gòu)建基于Microblaze軟核和Xilkernel操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，自定制外設(shè)接口IP。

　　3．網(wǎng)絡(luò)安全檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)及通過GSM網(wǎng)絡(luò)報(bào)警機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　經(jīng)過單元測(cè)試和整體評(píng)測(cè)，各模塊獨(dú)立運(yùn)行功能良好，均達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)整體測(cè)試運(yùn)行平穩(wěn)，可靠性強(qiáng)。完全可以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的性能及技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]  楊強(qiáng)浩 .基于EDK的FPGA嵌入式系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008
[2]  張煥國(guó)，劉玉珍.密碼學(xué)引論[M].武昌：武漢大學(xué)出版社，2003
[3]  趙峰，馬迪銘，孫煒，梁天冀.FPGA上的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008
[4]  刑建平，曾繁泰.VHDL程序設(shè)計(jì)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005
[5]  National Institute of Standards and Technology.Advanced encryption standard [ EB/ OL ] . http :/ / csrc.nist . gov/ publications/ fips/ fip s197/ fips2197. pdf .
[6]   鄧江華, 胡志華, 牛冀平. AES加密算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J ] . 微型電腦應(yīng)用, 2005, 21 (7) :15 - 19.
[7]   寒雯. AES加密算法分析及其安全性研究[J ] . Computer Applications of Petroleum 2008,Vol. 16 No. 2.