摘 要: 針對網(wǎng)絡(luò)信息安全領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)加密和快速處理的需求,設(shè)計(jì)了一種基于FPGA和USB2.0芯片的數(shù)據(jù)加密盒,,實(shí)現(xiàn)了高安全性的國產(chǎn)SM4對稱密碼算法,。該設(shè)備在30個明文分組、10 000次循環(huán)的測試條件下數(shù)據(jù)加密速度可達(dá)到126 Mb/s。
關(guān)鍵詞: FPGA,;USB2.0,;SM4;密碼算法
0 引言
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,,黑客襲擊事件逐年遞增,給用戶的數(shù)據(jù)安全造成很大的威脅,。密碼技術(shù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息安全的核心技術(shù),,是保護(hù)數(shù)據(jù)的重要工具[1]。通過在PC上運(yùn)行軟件進(jìn)行加密的方法占用CPU資源多,、處理速度慢,、安全性差,。近年來,通過采用FPGA,、DSP等硬件實(shí)現(xiàn)密碼算法的技術(shù)得到了更多的應(yīng)用,。當(dāng)前我國的商用密碼產(chǎn)品大多數(shù)采用PCI、USB接口,,PCI接口的產(chǎn)品具有開發(fā)周期長,、使用復(fù)雜等缺點(diǎn),而USB接口的產(chǎn)品加密性能較差,。針對這些情況,,設(shè)計(jì)了一種以FPGA為核心的USB加密盒,充分利用了FPGA的數(shù)據(jù)處理能力和控制能力,,實(shí)現(xiàn)了安全可控的國產(chǎn)SM4對稱密碼算法,。在使用中連接到用戶終端,保證重要數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中以密文的方式安全傳輸,,具有加密速度快,、靈活等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于金融,、電信,、稅控等信息安全領(lǐng)域。
1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)
加密盒由USB2.0芯片CH378和FPGA構(gòu)成,,系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,。通過Verilog語言在FPGA中設(shè)計(jì)了USB控制模塊、SM4 IP核,、SM4控制模塊和雙端口RAM,。其中USB控制模塊控制CH378,SM4 IP核實(shí)現(xiàn)SM4對稱算法,,SM4控制模塊實(shí)現(xiàn)對IP核的控制,,雙端口RAM作為數(shù)據(jù)的緩存。CH378使用30 MHz時(shí)鐘,,利用鎖相環(huán)PLL把時(shí)鐘倍頻到60 MHz作為系統(tǒng)的主時(shí)鐘,。FPGA各模塊的時(shí)鐘都為60 MHz,采用了完全同步的設(shè)計(jì)方式,,可以有效避免毛刺,,使系統(tǒng)穩(wěn)定,。
數(shù)據(jù)的加密過程是:上位機(jī)準(zhǔn)備好明文分組數(shù)據(jù),,啟動加密操作,USB控制模塊控制CH378把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫p端口RAM,,數(shù)據(jù)傳輸完成后,,啟動SM4控制模塊,,把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊M4 IP核進(jìn)行加密運(yùn)算,運(yùn)算完成后的密文分組數(shù)據(jù)由SM4控制模塊傳回到RAM,,由上位機(jī)取回,。數(shù)據(jù)解密過程完成從密文到明文的轉(zhuǎn)換。
2 USB控制模塊設(shè)計(jì)
2.1 CH378接口設(shè)計(jì)
CH378是南京沁恒電子公司的USB2.0芯片,,支持USB設(shè)備方式和主機(jī)方式,,內(nèi)置了USB通信協(xié)議的基本固件和文件系統(tǒng)管理固件[2]。加密盒采用了USB設(shè)備方式,、內(nèi)部固件模式和8位并口的設(shè)計(jì)方式,。CH378與FPGA的接口見圖1,其中D是8位數(shù)據(jù)總線,;nRD與nWR分別是讀寫控制引腳,,低有效;A0是命令口與數(shù)據(jù)口的區(qū)分引腳,,為高時(shí)寫命令或讀狀態(tài),,為低時(shí)讀寫數(shù)據(jù);nINT是中斷輸出引腳,,低有效,。
2.2 狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)
狀態(tài)機(jī)是數(shù)字時(shí)序邏輯中重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容,通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計(jì)手段可以將復(fù)雜的控制時(shí)序以圖形化表示,,分解為狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,,將問題簡化[3]。狀態(tài)機(jī)是USB控制模塊的核心,,實(shí)現(xiàn)對CH378的控制,。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示,對各狀態(tài)的編碼采用了格雷碼,,可以有效地防止毛刺,,使系統(tǒng)穩(wěn)定[4]。
系統(tǒng)上電后FPGA首先對CH378初始化,,狀態(tài)機(jī)處于空閑狀態(tài),。采用USB的批量端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸[5],下傳時(shí)數(shù)據(jù)由上位機(jī)傳輸?shù)郊用芎?,端點(diǎn)號為0x02,,支持最大包512 B;上傳時(shí)數(shù)據(jù)由加密盒傳輸?shù)缴衔粰C(jī),,端點(diǎn)號為0x82,,最大包也是512 B。CH378完成數(shù)據(jù)的下傳后通過nINT引腳向FPGA發(fā)送中斷。在TX_C22狀態(tài)FPGA向CH378寫命令字0x22,,請求獲得中斷狀態(tài)值,;狀態(tài)機(jī)在RX_INT狀態(tài)讀取中斷狀態(tài)值,若為0x04表示端點(diǎn)0x02的接收器接收到數(shù)據(jù),,否則說明未能接收到數(shù)據(jù),;在TX_C23狀態(tài),狀態(tài)機(jī)釋放USB緩沖區(qū),;在TX_C29狀態(tài),,狀態(tài)機(jī)向CH378寫入命令字0x29和端點(diǎn)號0x02,使CH378準(zhǔn)備從0x02端點(diǎn)緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊,,之后進(jìn)入RX_DAT狀態(tài),,依次把從端點(diǎn)緩沖區(qū)讀取的數(shù)據(jù)分組長度和數(shù)據(jù)分組寫入RAM,傳輸完成后CH378釋放緩沖區(qū),,狀態(tài)機(jī)進(jìn)入SM4_SF狀態(tài),,啟動SM4控制模塊。SM4模塊完成之后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入TX_C2A狀態(tài),,向CH378寫入命令字0x2A和端點(diǎn)號0x82,,使CH378做好發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備,之后進(jìn)入TX_DAT狀態(tài),,讀取RAM中的運(yùn)算結(jié)果并寫入端點(diǎn)0x82的發(fā)送緩沖區(qū),,由CH378把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。至此完成了數(shù)據(jù)的傳輸過程,,狀態(tài)機(jī)回到空閑狀態(tài),。
3 SM4 IP核設(shè)計(jì)
3.1 SM4算法簡介
SM4算法是由國家密碼管理局發(fā)布的對稱密碼算法,分組長度和密鑰長度都為128位,。加密算法與密鑰擴(kuò)展算法都采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)[6],。解密算法與加密算法的結(jié)構(gòu)相同,只是解密輪密鑰是加密輪密鑰的逆序,。SM4算法的密鑰空間包含2128個密鑰,,數(shù)量十分龐大,破解由SM4算法加密的密文難度極大,,算法安全性很高,。
3.2 IP核關(guān)鍵邏輯設(shè)計(jì)
SM4 IP核模塊的接口見圖1,start是算法啟動信號,;op是模式選擇接口,,為0時(shí)讀入密鑰,為1時(shí)進(jìn)行加密操作,,為2時(shí)進(jìn)行解密操作,;datain是數(shù)據(jù)輸入,;dataout是數(shù)據(jù)輸出;done是運(yùn)算結(jié)果輸出標(biāo)志位,。
SM4加密算法采用了32輪非線性迭代結(jié)構(gòu),每輪變換的邏輯如圖3所示,。初始明文分組為(X0,,X1,X2,,X3)∈(Z232)4,,(Z232)4為4個32 bit字,從端口datain輸入,,密文是(Y0,,Y1,Y2,,Y3)∈(Z232)4,,輪密鑰為rki∈Z232,i=0,,1,,2,…,,31,。在每一輪中Xi+1,Xi+2,,Xi+3與rki相異或后形成數(shù)據(jù)A,,即A=Xi+1⊕Xi+2⊕Xi+3⊕rki,經(jīng)過S盒非線性變換成為數(shù)據(jù)B,,即Sbox(A)=B,。S盒中的數(shù)據(jù)采用查找表的結(jié)構(gòu)預(yù)先存儲于FPGA的ROM中,由16行×16列的字節(jié)數(shù)據(jù)構(gòu)成,。例如A的低8位數(shù)據(jù)A[7..0]=0xEF對應(yīng)于S盒中第E行和第F列的值,,經(jīng)過S盒變換后成為B[7..0]=Sbox(A[7..0])=0x84。A需要經(jīng)過4個S盒并行運(yùn)算后成為數(shù)據(jù)B,。對B進(jìn)行循環(huán)移位,、異或后形成C,C=B⊕(B<<<2)⊕(B<<<10)⊕(B<<<18)⊕(B<<<24),,最后C與Xi異或后形成Xi+4,,即Xi+4=Xi⊕C。最終密文(Y0,,Y1,,Y2,Y3)=(X35,X34,,X33,,X32),從端口dataout輸出,。解密變換與加密變換結(jié)構(gòu)相同,,加密時(shí)輪密鑰的使用順序是:rk0,rk1,,…,,rk31,解密時(shí)輪密鑰的使用順序與加密時(shí)相反,。
SM4算法的輪密鑰由128 bit的加密密鑰通過密鑰擴(kuò)展算法生成,,設(shè)加密密鑰MK=(MK0,MK1,,MK2,,MK3)∈(Z232)4,同樣從datain輸入,。令Ki∈Z232,,i=0,1,,...,,35,首先令(K0,,K1,,K2,K3)=(MK0⊕FK0,,MK1⊕FK1,,MK2⊕FK2,MK3⊕FK3),,其中(FK0,,F(xiàn)K1,F(xiàn)K2,,F(xiàn)K3)∈(Z232)4為已知的系統(tǒng)參數(shù),。輪密鑰的邏輯如圖4所示,其中CKi是固定參數(shù),。經(jīng)變換后輪密鑰rki=Ki+4i=0,,1,…,,31,。
4 SM4控制模塊
SM4控制模塊的作用是控制SM4 IP核進(jìn)行數(shù)據(jù)的加密或解密,,核心同樣是狀態(tài)機(jī),其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖5所示,,對狀態(tài)的編碼同樣采用了格雷碼,。
狀態(tài)機(jī)開始處于空閑狀態(tài),由fsm_start信號啟動后進(jìn)入RD_LEN狀態(tài),,讀取RAM中的數(shù)據(jù)分組長度,。在RD_FLAG狀態(tài)讀取RAM中的模式選擇位,判斷執(zhí)行加密或解密的操作,;之后進(jìn)入RD_KEY狀態(tài),從RAM中讀取16 B的密鑰數(shù)據(jù)后發(fā)送給SM4 IP核,;之后進(jìn)入WAIT1狀態(tài),,等待IP核讀取密鑰;狀態(tài)機(jī)進(jìn)入RD_DAT狀態(tài)后,,依次讀取RAM中的16 B明文數(shù)據(jù)發(fā)送給IP核,;進(jìn)入WAIT2狀態(tài)后,等待IP核把一個分組的數(shù)據(jù)處理完成(加密或解密),,done信號輸出高電平,;進(jìn)入WR_DAT狀態(tài)后,把IP核運(yùn)算完成后的128 bit數(shù)據(jù)分組(密文或明文)寫入RAM,;進(jìn)入SF_JUDGE狀態(tài)后,,判斷是否處理完所有的數(shù)據(jù)分組,若未處理完則返回到RD_DAT狀態(tài),,若處理完所有的數(shù)據(jù)分組則返回空閑狀態(tài),。一次USB批量傳輸可以處理的數(shù)據(jù)分組是1~30個。
5 雙端口RAM模塊
雙端口RAM的作用是緩存數(shù)據(jù),,設(shè)計(jì)RAM的容量為512 B,,上位機(jī)和FPGA可以對RAM進(jìn)行獨(dú)立訪問,使設(shè)計(jì)更加靈活,。對RAM的訪問順序如下:
?。?)上位機(jī)寫RAM:上位機(jī)把數(shù)據(jù)傳送到端點(diǎn)緩沖區(qū)后,CH378把數(shù)據(jù)寫入RAM,,WR_addr是RAM的寫地址端口,,ram_wr是寫使能端口,data是數(shù)據(jù)輸入端口,。
?。?)SM4控制模塊讀RAM:啟動SM4控制模塊后,讀取RAM中的數(shù)據(jù)并傳送到SM4 IP核,,RD_addr是RAM的讀地址端口,,q是數(shù)據(jù)輸出端口,。
(3)SM4控制模塊寫RAM:當(dāng)IP核完成數(shù)據(jù)運(yùn)算后,,SM4控制模塊將運(yùn)算結(jié)果通過data端口寫入到RAM,。
(4)上位機(jī)讀RAM:CH378讀取RAM中的運(yùn)算結(jié)果,,傳輸?shù)経SB批量上傳端點(diǎn)的發(fā)送緩沖區(qū)并把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī),。
6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
FPGA芯片選用了Cyclone IV系列的EP4CE15F17C8N,I/O引腳數(shù)為166,,RAM總量為63 KB,,邏輯單元LE為15 408個[7]。整個設(shè)計(jì)在Altera的開發(fā)工具Quartus II 11.1中先后完成綜合,、功能仿真,、布局布線后,通過邏輯分析儀并結(jié)合上位機(jī)軟件進(jìn)行調(diào)試,。最終綜合結(jié)果是:占用存儲單元3 KB,,邏輯單元3 921個。另外,,經(jīng)時(shí)序分析所有信號的建立,、保持時(shí)間無違規(guī)路徑。圖6是調(diào)試通過的波形圖,。
圖6顯示了一個明文的加密過程,,start信號變高后,SM4 IP核從端口datain讀入明文,,此時(shí)信號op=1指示加密過程的開始,。運(yùn)算完成后IP核的done信號變高,dataout端口輸出128 bit的密文,;之后SM4控制模塊通過端口ram_di把密文寫入到RAM中,,寫RAM地址WR_addr實(shí)現(xiàn)遞增,RAM寫使能控制信號ram_wr變?yōu)楦唠娖?。圖中明文,、密鑰和密文與SM4算法標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)一致。
上位機(jī)軟件是結(jié)合CH378驅(qū)動程序和Visual C++6.0軟件在Windows XP環(huán)境下開發(fā)而成的,。對SM4算法的性能進(jìn)行測試,,設(shè)置每次批量傳輸時(shí)數(shù)據(jù)的最大分組為30個,通過10 000次循環(huán)測試,,測得數(shù)據(jù)加密(解密)的速率為126 Mb/s,。
7 結(jié)論
本文基于FPGA和USB2.0芯片的加密盒,通過FPGA實(shí)現(xiàn)了國密SM4對稱密碼算法,,應(yīng)用于工程實(shí)踐中,,滿足用戶對數(shù)據(jù)加密的需求,。與市場上的密碼產(chǎn)品相比,具有集成度高,、加密速度快,、性能高的優(yōu)勢。作為后續(xù)的工作,,可以在FPGA中集成多種其他的國產(chǎn)密碼算法,,使得該加密盒的應(yīng)用更加靈活和廣泛。
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