安全通信系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)

FPGA實現(xiàn)緒論信息安全的解決方案目前主要集中于實行單一的措施來保證信息的安全性，針對各種攻擊手段，防范措施主要集中于信息加密技術(shù)、安全交換機技術(shù)、防火墻技術(shù)、認(rèn)證技術(shù)，入侵檢測技術(shù)等，這些技術(shù)從不同的方面對安全性供給了較好的保障，但各有缺點和缺乏，這將成為網(wǎng)絡(luò)防護的軟肋，因此，本文也嘗試性地提出了一種集數(shù)據(jù)加密技術(shù)和訪問掌握策略于一體的信息安全解決方案。加密算法的硬件實現(xiàn)具有高速率、高牢靠性、高安全等特點，因此，加密算法在FPGA平臺中實現(xiàn)是一種很好的硬件實xilinxspartan-3e平臺中構(gòu)建一個嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)安全網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)設(shè)計該系統(tǒng)主要針對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逼而設(shè)計的一套基于FPGA平臺的網(wǎng)絡(luò)信息安全傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)承受客戶機/效勞器模式，因此，系統(tǒng)主要包括兩個局部：客戶端和效勞器端。客戶端作為整個系統(tǒng)的掌握中心，依據(jù)實際需要，向效勞器端發(fā)送懇求，并顯示接收到的信息。效勞器端響應(yīng)客戶端的懇求，發(fā)送相應(yīng)信息。效勞器端和客戶端之間的信息都是經(jīng)過加密后進展傳輸?shù)?，保證信息的安全牢靠性。系統(tǒng)效勞器端設(shè)計XILINXSpartan-3eMicrBlazeXilkernel操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中通過定制AESIPIP、LCDIP、通用擴展接口掌握IPEDK中自帶的網(wǎng)絡(luò)掌握器IP、串口IP等，效勞器端的系統(tǒng)構(gòu)造框圖如圖1所示。當(dāng)效勞器端收到經(jīng)過AESIP數(shù)據(jù)包時，在效勞器端，信AES解密處理，依據(jù)解密后信息分析并提取懇求方的IDIPID信息是唯一的授權(quán)證號，ID信息，作出相應(yīng)的處理。1效勞器端的系統(tǒng)構(gòu)造框圖系統(tǒng)效勞器端設(shè)計EDKIP2-2圖所示?？蛻舳俗鳛檎麄€系統(tǒng)的掌握中心，當(dāng)需要采集信md5IDIDAES加密后發(fā)送至效勞器端，當(dāng)效勞器端響應(yīng)其懇求后，視其身份權(quán)限做出相應(yīng)處理。2客戶端的系統(tǒng)構(gòu)造框圖系統(tǒng)具體實現(xiàn)該系統(tǒng)承受模塊化設(shè)計實現(xiàn)，系統(tǒng)包括客戶端和效勞器端。系統(tǒng)客戶端和效勞器端的實現(xiàn)都是基于xilinx公司的spartan-3e平臺來實現(xiàn)的。系統(tǒng)效勞器端實現(xiàn)AES算法的硬件實現(xiàn)AES算法是一種迭代分組密碼，承受的是代替/置換網(wǎng)絡(luò)〔SP〕。AES加密算法的實現(xiàn)包括密鑰擴展過程和加密過程。AES加解密過程如圖3所示。3AES加解密過程AES加解密算法通過硬件描述語言來實現(xiàn)，在該系統(tǒng)中承受VHDLAES加解密算法的相像性，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)中承受密鑰長度和分組數(shù)據(jù)塊長度都為128bits，輸入信息都為字符型的數(shù)據(jù)，承受對字符加解密，因此，每一個字符都將對應(yīng)其ASCII值輸入。AES4個模塊：掌握模塊、AES加解密運算實現(xiàn)模、SBOX模塊、密鑰操作模塊，實現(xiàn)的框圖如圖3-4圖所示。AESISE綜合后占用資源利用狀況如表1所示。1AES加解密資源利用表4AES加解密實現(xiàn)框圖接口模塊的實現(xiàn)Spartan-3ePS2接口、16X2LCD液晶顯示，36針的通用擴展接口，這些接口便利、J2、J3與外接設(shè)備進展信息交互。Spartan-3eDTEGSM模塊進展通信，將相應(yīng)的信息通過短信的方式發(fā)送到指定手機中。EDKIPOPB總線中，其中鍵盤、LCDDTE使用中斷。驅(qū)動程序在自動生成的驅(qū)動程序模板根底上完成各個模塊的驅(qū)動程序。網(wǎng)絡(luò)安全檢測及報警實現(xiàn)EDKIP核，移植LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，實現(xiàn)基于SOCKET的網(wǎng)絡(luò)通信。效勞器端收到客IP數(shù)據(jù)包進展解密，對懇求的IP數(shù)據(jù)包進展分析，提取對應(yīng)的IDIPID信md5算法產(chǎn)生的，因此該IDID，依據(jù)IDID列表進展比較，假設(shè)為授權(quán)ID，則依據(jù)客戶懇求把相應(yīng)的信息加密處理后發(fā)送至客戶端；假設(shè)為非授權(quán)IDID用戶，此網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存IPGSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至指定接收端手機，到達(dá)網(wǎng)絡(luò)的實時檢測和報警功能。效勞器端軟件實現(xiàn)PS2鍵盤，LCD液晶顯示屏等設(shè)備，實現(xiàn)具有良好的人機交互接口的系統(tǒng)。Xilkernel操作系統(tǒng)支持多線程操作，通過配置一些參數(shù)就可以敏捷應(yīng)用。雖然其沒有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，但可以通過移植LwIPSOCKET的網(wǎng)絡(luò)通信。應(yīng)用程序的設(shè)計主要包括系統(tǒng)的初始化、系統(tǒng)對客戶端懇求的處理、網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測及報警等。系統(tǒng)的初始化主要針DD，init_kbdenable_interruptxilkernel_main進xilkernelsocket_threadlwipsocket_app_thread。該線程主要是針對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，IP4_ADDRip、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼。16socketsocketlisten函數(shù)開頭監(jiān)聽。socket_process_threadsocket_process_threadIP數(shù)據(jù)包的相關(guān)信息，首先檢查客戶端發(fā)送的IDID列表之內(nèi)，假設(shè)ID無誤，將從無線模塊接收到的數(shù)據(jù)進展AES加密，發(fā)送加密過后的數(shù)據(jù)給客戶端。假設(shè)IDIPIPGSM模塊，將提IP通過短信發(fā)送給指定接收端。整個效勞器端的軟件設(shè)計流程圖如圖5圖所示。5效勞器端軟件流程圖系統(tǒng)客戶端實現(xiàn)客戶端的系統(tǒng)構(gòu)建與效勞器端相像，系統(tǒng)的原理可以參考效勞器端的系統(tǒng)設(shè)計。應(yīng)用程序的設(shè)計也包括系統(tǒng)的初始化，客戶懇求的處理及解密處理，效勞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)xilkernel_mainxilkernelsocket_thread。液晶顯示等。IP4_ADDRip、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。調(diào)用socketsocketservermd5IDserver響應(yīng)。.server返回的數(shù)據(jù)AESLCD3-4圖所示。結(jié)論FPGAMicroblazeXilkernel操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。本文主要對下述內(nèi)容進展了論述和自主開發(fā)：AESFPGA的硬件自主實現(xiàn)。