DSP技術(shù)在PC加密卡中的應(yīng)用

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，相關(guān)的安全與保密已成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的話題，針對(duì)市場(chǎng)需求與目前軟件和硬件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與信息安全的區(qū)別，為了使PC加密卡達(dá)到低成本、高效率的目的，設(shè)計(jì)了一種采用DSP技術(shù)的PC加密卡，通過(guò)對(duì)該卡原理上的分析，提出了一種運(yùn)用TMS320C54x系列DSP芯片與PCI9054接口芯片共同實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)加密卡的設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)安全；加密算法；DSP；PCI總線

0 引言
隨著Internet／Intranet的迅速發(fā)展和普及，網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的直接和潛在的危險(xiǎn)也在逐步增強(qiáng)，就如何確保網(wǎng)絡(luò)信息的安全已成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的焦點(diǎn)，個(gè)人和企業(yè)對(duì)業(yè)務(wù)的安全需求日益迫切，首當(dāng)其沖的是軍隊(duì)信息在網(wǎng)絡(luò)上的失泄密問(wèn)題已造成的嚴(yán)重后果將直接關(guān)系到國(guó)家的安全與穩(wěn)定。所以對(duì)各種安全防護(hù)措施與保密技術(shù)的要求越來(lái)越高，而密碼技術(shù)作為一項(xiàng)有效解決網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題的手段得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。如果網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒑拖到y(tǒng)信息能夠以加密的方式處理，將在很大程度上提高網(wǎng)絡(luò)和信息的安全。然而，由于個(gè)人或一般辦公室使用的都是低成本的PC電腦很難配備價(jià)格高昂的加密機(jī)，使用安全軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)加密和解密，雖然價(jià)格實(shí)惠，但對(duì)系統(tǒng)性能有極大的影響，也容易被黑客通過(guò)技術(shù)手段突破，此外，在安全程度與強(qiáng)度上也足與專門設(shè)計(jì)的硬件加密能力不能相比擬的。所以廣大的網(wǎng)民尤其是經(jīng)常處理涉密事件的單位與個(gè)人急需一種低成本、高性能的加密和解密的方案。在本文中，基于TI公司研發(fā)的高性能DSP如果應(yīng)用在PC加密卡中，不失為一種有效的保密方法。
作為一種有效的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案，加密卡應(yīng)當(dāng)具有的功能如下：
(1)使用密碼算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，密碼算法應(yīng)當(dāng)多種多樣以便更換、定期升級(jí)解決硬件難以變動(dòng)的缺點(diǎn)，減少用戶投資。
(2)應(yīng)保護(hù)存儲(chǔ)證書(shū)、密鑰以及重要的數(shù)據(jù)，主密鑰及重要的密鑰應(yīng)受到額外的保護(hù)，這種保護(hù)強(qiáng)度應(yīng)超過(guò)其他通常的軟件。
(3)與主機(jī)、外圍設(shè)備和系統(tǒng)軟件有一個(gè)良好的接口，使用戶還有研發(fā)升級(jí)軟件的空間。
這些功能決定了PC加密卡的設(shè)計(jì)和目標(biāo)的基本結(jié)構(gòu)。

1 PC加密卡的基本結(jié)構(gòu)
本文介紹的PC加密卡主要由DSP芯片、計(jì)算機(jī)總線接口(PCI)、板上的FLASH ROM、隨機(jī)數(shù)生成模塊和外部設(shè)備接口等組成。TI全新DSP TM S320C6x系列功能強(qiáng)，速度非?？?，但價(jià)格過(guò)高，不適合應(yīng)用于一般的加密和解密。中等性能的TMS320C54x系列，成本低，產(chǎn)品成熟，是一個(gè)更好的選擇。在本文中的PC加密卡以TMS320C54x DSP為主CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)加密算法的運(yùn)算，很大程度上減輕了計(jì)算機(jī)CPU的計(jì)算負(fù)擔(dān)，提高整體運(yùn)算速度。又因?yàn)橄盗蠨SP產(chǎn)品具有HPI接口，因此可以很容易地實(shí)現(xiàn)DSP與PCI總線之問(wèn)的連接。所以該加密卡就需要在PCI總線平臺(tái)上開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。
為了減少產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，以及獲得更好的數(shù)據(jù)傳輸性能，通常使用通用PCI接口芯片?？紤]到TMS320C54x 3．3 V低電壓的運(yùn)行環(huán)境與未來(lái)DSP的發(fā)展方向，PLX公司的PCI9054芯片是最好的選擇。其兩者的外圍信號(hào)都是3．3 V電壓。
另外采用FLASH ROM作為外部?jī)?chǔ)存介質(zhì)，存儲(chǔ)所有的加密算法、主控程序和密鑰管理程序，構(gòu)成與DSP之間的密碼算法運(yùn)算和重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)平臺(tái)。具體使用AMD公司512 KB的29LV040，選擇此規(guī)格的原因：第一符合3．3 V的運(yùn)行環(huán)境；第二除了存儲(chǔ)程序外，依據(jù)容量還可存放數(shù)千個(gè)1 024 b的公鑰或密鑰，滿足了更多通信系統(tǒng)安全的需要。圖1是加密卡的基本框圖。

2 PC加密卡的設(shè)計(jì)
雖然現(xiàn)在PC機(jī)的CPU運(yùn)行速度越來(lái)越快，但加密和解密是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，需要大量的科學(xué)計(jì)算霸占CPU的時(shí)間，這樣會(huì)使CPU運(yùn)行負(fù)荷，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能下降，其他方面工作的處理能力也會(huì)變得極為緩慢。而PC加密卡是一種專為加密和解密設(shè)計(jì)的硬件，配備專業(yè)的DSP信號(hào)處理芯片來(lái)專一地進(jìn)行加解密的科學(xué)計(jì)算，分擔(dān)了CPU的處理運(yùn)算強(qiáng)度，提高了加解密的速度和PC的性能。C54x系列的DSP芯片目前擁有主頻高達(dá)500 MHz或以上超快速度，計(jì)算能力也可以實(shí)現(xiàn)200 MIPS的水平，并且有望進(jìn)一步提高，使用C54x系列產(chǎn)品的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它們采用同一套指令集，這就意味著有很好的軟件兼容性，無(wú)需反復(fù)更新。
加密卡能夠成功實(shí)現(xiàn)就依賴與上述各模塊之間的協(xié)調(diào)工作。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，DSP與FLASH ROM之間構(gòu)成密碼算法運(yùn)算和重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的平臺(tái)，DSP從FLASH ROM中調(diào)入預(yù)先設(shè)定好的加密算法和主控程序，并接收主機(jī)送來(lái)的指令和數(shù)據(jù)，由主控程序調(diào)入相應(yīng)的加密算法程序，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或解密處理后，最終的數(shù)據(jù)由主機(jī)通過(guò)PCI接口芯片讀出。

3 加密卡的功能描述
本PC加密卡所實(shí)現(xiàn)的主要功能有：
數(shù)據(jù)加密解密功能 這是PC加密卡所具有的最基本的功能。加密卡目前封裝了DES，AES等對(duì)稱加密算法，RSA等非對(duì)稱公鑰算法，以及MD5等Hash算法。DES是使用最廣泛的密鑰系統(tǒng)，特別是用在保護(hù)金融數(shù)據(jù)的安全中，該加密算法具有應(yīng)用廣、速度快的優(yōu)點(diǎn)。AES作為新一代的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，匯聚了強(qiáng)安全性、高性能、高效率、易用和靈活等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。而MD5作為Hash算法，特點(diǎn)在于它是一種單向算法，用戶可以通過(guò)Hash算法對(duì)目標(biāo)信息生成一段特定長(zhǎng)度的惟一的Hash值，卻不能通過(guò)這個(gè)Hash值重新獲得目標(biāo)信。因此Hash算法常用在不可還原的密碼存儲(chǔ)、信息完整性校驗(yàn)等。
數(shù)字簽名與認(rèn)證功能 主要利用RSA算法模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。它是第一個(gè)既能用于數(shù)據(jù)加密也能用于數(shù)字簽名的算法，易于理解和操作，也很流行。RSA是目前最有影響力的公鑰加密算法，能夠抵抗到目前為止已知的所有密碼攻擊，已被ISO推薦為公鑰數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)歷了各種攻擊，至今未被完全攻破。該算法特別適合在商業(yè)和金融業(yè)中的應(yīng)用，為滿足多方面的要求，在卡中實(shí)現(xiàn)了簽名和認(rèn)證功能。
密鑰管理功能 密鑰是加密與解密的核心，密鑰的產(chǎn)生、保存、分配、修改與刪除必須有一個(gè)完善的管理體系。而加密卡中的隨機(jī)數(shù)生成模塊便是完成這項(xiàng)任務(wù)的關(guān)鍵。該模塊可以利用物理噪聲源產(chǎn)生一個(gè)真正的隨機(jī)數(shù)，這就保證了一切密鑰都是在加密卡內(nèi)部完成的，并且都是通過(guò)加密卡加密后才與外部進(jìn)行交換。外界軟件和系統(tǒng)只能得到其中的公鑰，而無(wú)法得到私鑰的任何信息，保證密鑰的安全。