摘  要： 針對GPS測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全問題,，采用FPGA技術(shù)設(shè)計了GPS數(shù)據(jù)加密系統(tǒng),。系統(tǒng)移植MD5算法到NIOS中對系統(tǒng)口令加密，并設(shè)計DES IP對GPS數(shù)據(jù)加密,。實驗表明,，該設(shè)計可有效防止GPS數(shù)據(jù)被非法竊取，具有安全性強,、速度快,、操作簡便等特點。
關(guān)鍵詞： FPGA,；GPS,；MD5；DES,；數(shù)據(jù)加密

    隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展,，數(shù)據(jù)傳輸對安全性的要求也隨之加強。如何確保信息的正確認(rèn)證與嚴(yán)格保密,，保證數(shù)據(jù)信息在傳輸與處理過程中不被非法竊取和篡改,，成為信息安全理論與技術(shù)研究的重要內(nèi)容。多數(shù)情況下,，數(shù)據(jù)加密是保證信息機密性的惟一方法,。在GPS測量系統(tǒng)中，GPS定位數(shù)據(jù)以明文形式通過電臺進行傳輸,，可能會被同型號電臺獲取,，存在一定的安全隱患。本設(shè)計應(yīng)用FPGA技術(shù)設(shè)計了GPS數(shù)據(jù)加密系統(tǒng),，通過MD5加密算法對管理員口令進行加密,；DES加密算法對GPS數(shù)據(jù)進行加密。這樣,，GPS數(shù)據(jù)經(jīng)加密卡加密后再以密文方式發(fā)給電臺進行傳輸，同時接收端必須使用密鑰將密文解碼才能得到定位數(shù)據(jù),，從而確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?br /> 1 系統(tǒng)組成及功能
    GPS數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)由機載模塊和服務(wù)器端兩部分組成,，通過電臺進行通信。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 機載模塊
    機載模塊由4×4鍵盤,、機載LCD,、加密卡三部分組成，用戶可通過4×4鍵盤發(fā)送預(yù)定義指令,、更改密鑰等操作,；機載LCD用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)、飛行參數(shù)等數(shù)據(jù),；加密卡為系統(tǒng)核心部件,，主要有以下4個功能：
    (1)解析、處理GPS數(shù)據(jù),、檢測設(shè)備工作狀態(tài)并在LCD上顯示相關(guān)信息,；
    (2)接收GPS數(shù)據(jù)并通過加密卡對其加密，將密文通過電臺傳送到服務(wù)器端,；
    (3)處理鍵盤或服務(wù)器端輸入的預(yù)存指令編號或新指令,，將指令發(fā)給GPS接收機并返回回饋信息；
    (4)更新鍵盤或服務(wù)器輸入的新密鑰或新管理員口令,。新密鑰先保存在Flash中,，再通過總線傳給密鑰寄存器；新口令保存在Flash中,。
    系統(tǒng)工作時,，加密卡通過UART IP獲取GPS數(shù)據(jù)后同時傳給NIOS和DES IP。NIOS解析GPS數(shù)據(jù)并經(jīng)LCD Controller傳給機載LCD進行實時顯示,，方便機上人員了解設(shè)備工作狀態(tài),；DES IP將GPS數(shù)據(jù)加密后，通過I/O中斷傳給NIOS,，NIOS將密文加入數(shù)據(jù)包頭,、尾字節(jié)后，再經(jīng)電臺傳到服務(wù)器端,。
1.2 服務(wù)器端
    服務(wù)器端為通用計算機,，其應(yīng)用軟件使用VC++6.0開發(fā)，服務(wù)器的主要功能有以下6點：
    (1)接收電臺傳來的密文并進行DES算法解密,、解析和處理GPS數(shù)據(jù),；
    (2)顯示GPS參數(shù)，并保存數(shù)據(jù),；
    (3)發(fā)送GPS接收機控制指令,；
    (4)更改密鑰；
    (5)更改管理員口令,；
    (6)設(shè)置串口參數(shù),。
2 數(shù)據(jù)加密算法的原理及應(yīng)用
2.1 MD5算法的原理及應(yīng)用
    信息—摘要算法MD5(Message-Digest Algorithm 5),，在90年代初由Rivest設(shè)計發(fā)明，經(jīng)MD2,、MD3和MD4發(fā)展而來,。其作用可使大容量信息在用數(shù)字簽名軟件簽署私人密匙前，被“壓縮”成一種保密的格式(對任意長度的信息,，生成一個長度為128 bit的值),。
    本設(shè)計將MD5算法移植到NIOS中，用于加密管理員口令,。這樣系統(tǒng)在并不知道管理員口令的明碼情況下就可以確定口令的合法性,，從而有效地防止了反編譯等技術(shù)手段對管理員口令進行破解。系統(tǒng)工作時,，NIOS預(yù)先將管理員口令加密后,，將MD5值存儲在Flash中，當(dāng)加密卡接收到更改密鑰,、更改口令或發(fā)GPS接收機控制指令等操作命令時,，先將輸入的口令計算成MD5值，然后與存儲在Flash中的MD5值進行比較,，如果兩值相同則說明口令正確,，再進行相應(yīng)的操作。
2.2 DES算法的原理及應(yīng)用
    DES(Data Encryption Standard)是一種分組乘積加密算法,，是用64 bit的密鑰對64 bit的明文加密,，64 bit密鑰中每8 bit有一奇偶校驗位不參與運算，有效密鑰只有56 bit,。同時,，它又是對稱加密算法，其加密和解密運算過程完全相同,，只是在迭代運算時子密鑰的使用順序不同[1],。如圖2所示，64 bit的明文塊在經(jīng)過初始IP置換后,，被重新排列,，然后進入16輪的迭代運算；每一輪迭代運算由一個f函數(shù)完成,；最后一輪迭代的輸出為64 bit,，將其左半部分和右半部分互換產(chǎn)生預(yù)輸出；預(yù)輸出再與逆初始置換IP-1作用產(chǎn)生64 bit的密文,，IP-1是IP的反變換[2],。

    采用軟件方式實現(xiàn)的DES算法會在很大程度上占用系統(tǒng)資源，造成系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降,，而DES算法本身并沒有大量的復(fù)雜數(shù)學(xué)計算(如乘,、帶進位的加,、模等運算)，在加密,、解密過程和密鑰生成過程中僅有邏輯運算和查表運算。因而,，無論是從系統(tǒng)性能還是加,、解密速度的角度來看，采用硬件實現(xiàn)都是一個理想的方案[3],。
    圖3為DES IP的硬件邏輯圖,，主要由狀態(tài)控制器、子密鑰生成器,、DES算法運算器三部分組成,。其中，狀態(tài)控制器用于控制IP的工作狀態(tài),、模式和標(biāo)識完成狀態(tài),；子密鑰生成器將56 bit密鑰分成兩部分，每部分按循環(huán)移位次數(shù)表移位并按置換選擇表置換,，從而生成每一輪次運算的子密鑰K(K1,，K2，…,，K48),；DES算法運算器為整個IP的關(guān)鍵，它將64 bit中間數(shù)據(jù)分為左右兩部分,，分別記為Li和Ri,。單個運算的過程可以寫為下面的公式:

    (1)將Ri-1按照擴展換位表E擴展為48 bit的數(shù)據(jù)；
    (2)將擴展后的Ri-1與循環(huán)移位后的48 bit子密鑰K(K1,，K2,，…，K48)“異或”,；
    (3)將“異或”后的結(jié)果送入8個S盒(S box)進行替代運算,，每個S盒都有6 bit輸入、4 bit輸出,，并且8個S盒都不相同,，48 bit的輸入分為6位一組，分別送到8個S盒選擇相應(yīng)的輸出,，結(jié)果為32 bit,；
    (4)S盒替代后的32 bit結(jié)果依照P盒(P box)進行置換，置換后結(jié)果即為f(Ri-1,，Ki)的最終值,，這樣便完成了f函數(shù)的運算,。
    算法中用到的初始換位表IP、放大換位表E,、替代函數(shù)表S,、換位函數(shù)P、逆初始換位IP-1,、密鑰循環(huán)移位表可在參考文獻[4]中查到,。本設(shè)計中，GPS數(shù)據(jù)的加密在加密卡中完成,，解密在服務(wù)器端完成,，為方便功能擴展，在加密卡中設(shè)計,、保留了解密功能,。
2.3 DES算法仿真驗證
    本設(shè)計的DES IP采用ALTERA公司的Quartus 7.0軟件開發(fā)及Verilog HDL語言編寫[5]，整個加密卡在單片Cyclone系列EP1C6Q240C8N芯片上實現(xiàn),。圖4為Quartus 7.0開發(fā)軟件下DES IP的仿真圖,。
    各仿真信號的意義及說明如下：
    時鐘信號(clk)：周期為10 ns、占空比為50%,；
    復(fù)位信號(reset_n)：低電平有效,，置高；
    模式信號(mode)：加密/解密選擇,，‘1’為加密,，‘0’為解密；
    加載信號(load)：高電平有效,，置高,；
    加密數(shù)據(jù)(des_in)：8000 0000 0000 0000；
    密鑰信號(key)：0000 0000 0000 0000,；
    加密結(jié)果(des_out)：95F8 A5E5 DD31 D900,；
    加密完成信號(ready) ：在第17個周期后置高。
    DES IP工作時,，“密鑰”保存在總線接口的密鑰寄存器中,，“加密數(shù)據(jù)”由NIOS輸入，加密完成后,，通過“加密完成信號”產(chǎn)生的I/O中斷傳回給NIOS,。圖4中，其加密結(jié)果與XILINX公司網(wǎng)站上設(shè)計參考中給出的數(shù)據(jù)一致,，表明DES IP設(shè)計正確,。

    本設(shè)計采用FPGA技術(shù)設(shè)計了GPS數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)，重點介紹了機載模塊中DES IP的設(shè)計。實驗發(fā)現(xiàn),，采用NIOS進行DES算法軟件加密時速度慢,，會出現(xiàn)間隔丟失GPS數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，而采用硬件DES IP進行加密處理時,，完全可以滿足GPS接收機的速度需要,，不會出現(xiàn)丟點現(xiàn)象。系統(tǒng)采用MD5算法對管理員口令進行加密,，進一步增強了系統(tǒng)的安全性,，因此本設(shè)計對解決該GPS測量系統(tǒng)安全性方面有較大的現(xiàn)實意義和實用價值。
參考文獻
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[2] 賀雪晨,，陳林玲,，趙琰.信息對抗與網(wǎng)絡(luò)安全[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006．
[3] 褚雄,，王子敬,，王勇.一種基于FPGA的DES加密算法實現(xiàn)[J]．江南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006,，15(6):661-664．
[4] STALLINGS W.密碼編碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全(第3版)[M].劉玉珍,，王麗娜，傅建明,，等譯.北京:電子工業(yè)出版社,，2004.
[5] 徐光輝，程東旭,，黃如.基于FPGA的嵌入式開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2006．