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,。客戶端作為整個(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言來實(shí)現(xiàn),，在該系統(tǒng)中采用VHDL語言編寫代碼,。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,。