基于單片機(jī)和FPGA的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密實(shí)現(xiàn)

2．2 A5／1算法原理
A5／1引是GSM移動(dòng)通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧髅艽a加密算法。A5／1密碼流產(chǎn)生器生成的密碼與明文數(shù)據(jù)幀的每一位相異或得到密文序列。A5／1算法由3個(gè)不同長度的線性反饋移位寄存器R1，R2，R3組成，其長度分別為19，22，23位，其反饋特征方程分別為：x18+x17+x16+x13+1,x22+x21+x20+x7+1。算法的初始密鑰是64位向量。密碼流輸出位為3個(gè)移位寄存器的異或輸出。移位寄存器的使能由多數(shù)函數(shù)控制。Rl的第8位、R2的第10位、R3的第10位為多數(shù)函數(shù)數(shù)據(jù)輸入，它們決定3個(gè)移位寄存器的移位狀況。在這3個(gè)數(shù)據(jù)位中，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的都為0，多數(shù)函數(shù)值就為0；如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的都為1，多數(shù)函數(shù)值就為1。多數(shù)函數(shù)輸入的3個(gè)數(shù)據(jù)位中與多數(shù)函數(shù)值相同，相應(yīng)的移位寄存器就移位。A5／1的硬件實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。密碼流的產(chǎn)生分兩個(gè)階段．第一階段給寄存器裝人64位初始值；第二階段則根據(jù)時(shí)鐘節(jié)拍和使能控制產(chǎn)生密碼流。
2．3 W7算法原理
W7H算法與A5／1算法在結(jié)構(gòu)原理上有相似之處。W7算法由8個(gè)類似于A5／1算法硬件結(jié)構(gòu)模塊并行組成，每一個(gè)模塊都包含3個(gè)線性反饋移位寄存器和多數(shù)函數(shù)。不同的是w7算法是128位的初始密鑰，線性反饋移位寄存器的長度圖2 A5／1算法的硬件實(shí)現(xiàn)原理和反饋結(jié)構(gòu)都不同于A5／1算法。3個(gè)線性反饋移位寄存器長度分別為38、43、47位。8個(gè)并行模塊采用同一初始密鑰。但反饋結(jié)構(gòu)和多數(shù)函數(shù)的輸入位均各不相同。8個(gè)模塊的輸出組成8位密碼流，加密效率更高。各線性移位寄存器由固定數(shù)據(jù)位通過邏輯與產(chǎn)生1位數(shù)據(jù)，再將該位數(shù)據(jù)與最高位輸出異或，最后將3個(gè)移位寄存器輸出再異或輸出作為本并行塊的密碼位輸出。由于有8個(gè)并行塊，最后總的輸出8 bit，即1字節(jié)。設(shè)計(jì)時(shí)，每隔8個(gè)時(shí)鐘周期輸出一次，保證數(shù)據(jù)速率的一致性。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由單片機(jī)，FPGA和El接121等組成，如圖3所示。單片機(jī)用于輸入用戶初始密鑰；FPGA負(fù)責(zé)密鑰流產(chǎn)生以及加解密；E1接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收，完成HDB3碼和TTL電平之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)通信接口單元和協(xié)議數(shù)據(jù)處理單元之間的全雙工通信。

由于通信鏈路采用E1標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外部數(shù)據(jù)鏈路接121采用E1接口，選用接口器件DS21348。DS21348支持El和T1線接口單元，通過寄存器設(shè)置選擇E1線接口單元。DS21348可配置為硬件模式，完成HDB3到TTL、TTL到HDB3的電平轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)信號(hào)格式轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)幀處理。該系統(tǒng)可并行處理兩路數(shù)據(jù)，一路加密，一路解密，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。