高可靠FPGA通信系統(tǒng)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在工業(yè)控制領(lǐng)域，利用ZigBee和傳感器網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理變得更加容易，作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分，ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在無(wú)線數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)采集都需通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸至控制中心，在這個(gè)過(guò)程中信息傳輸?shù)陌踩灾饾u成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種安全可靠的通信解決方案顯得尤為重要。

　　信息安全的解決方案目前主要集中于采取單一的措施來(lái)保證信息的安全性，針對(duì)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(jī)技術(shù)、防火墻技術(shù)、認(rèn)證技術(shù)，入侵檢測(cè)技術(shù)等，這些技術(shù)從不同的方面對(duì)安全性提供了較好的保障，但各有缺點(diǎn)和不足，這將成為網(wǎng)絡(luò)防護(hù)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(wèn)控制策略于一體的信息安全解決方案。

　　1.1 加密算法的分析

　　AES加密算法作為新一代的分組迭代加密算法，其采取對(duì)稱密鑰，數(shù)據(jù)塊的分組長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度分別可選擇128位、192位、256位。AES加密算法具有安全性，靈活性等特點(diǎn)。RSA算法是第一個(gè)能同時(shí)用于加密和數(shù)字簽名的算法，也易于理解和操作。但RSA加密算法的缺點(diǎn)主要有：密鑰的產(chǎn)生繁瑣，受到素?cái)?shù)產(chǎn)生技術(shù)的限制，因而難以做到一次一密?；煦缂用芩惴ㄒ话阕鳛閿?shù)字語(yǔ)音信息等的加密，在實(shí)際加密應(yīng)用過(guò)程中其精度和保密性方面都存在著缺陷，因此，不適宜于該系統(tǒng)的加解密算法選擇。

　　1.2 加密算法的抗攻擊能力分析

　　在高級(jí)加密算法的選擇過(guò)程中，算法本身的安全性能將是一個(gè)重要的評(píng)判依據(jù)。因此，我們針對(duì)目前已有的各種密碼攻擊手段，分析了AES加密算法的抗攻擊能力等性能指標(biāo)。

　　強(qiáng)力攻擊是一種常見的攻擊策略，主要包括窮盡密鑰搜索攻擊、字典攻擊、查表攻擊等手段，這些攻擊的復(fù)雜度只依賴于分組長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度，且它們的復(fù)雜程度是隨著密鑰長(zhǎng)度增加成指數(shù)增長(zhǎng)的。對(duì)于AES加密算法，密鑰長(zhǎng)度最小為128位，若每秒鐘能夠完成2個(gè)密鑰的搜索，則要完成AES的密鑰搜索，至少需要時(shí)間大約為149萬(wàn)億年，在時(shí)間上就無(wú)法攻擊AES加密算法，因此，AES加密算法在很長(zhǎng)一段時(shí)間還將對(duì)強(qiáng)力攻擊保持很好的安全性。

　　代數(shù)計(jì)算攻擊是一種新的分組密碼攻擊方法，在代數(shù)計(jì)算攻擊中，攻擊者利用密碼的輸入，輸出對(duì)來(lái)構(gòu)造多項(xiàng)式。用簡(jiǎn)單的代數(shù)表達(dá)式對(duì)整個(gè)Rijndael算法進(jìn)行描述,引用表達(dá)式如下:

代數(shù)計(jì)算攻擊的基本思想是用足夠多的明密文對(duì)利用拉格朗日插值公式得到密碼算法的一個(gè)近似多項(xiàng)式逼近,因此要想對(duì)Rijndael算法進(jìn)行代數(shù)計(jì)算攻擊等價(jià)于將式(1-1)用多項(xiàng)式來(lái)展開,而在式(1-1)中要想消去一層子結(jié)構(gòu),就涉及到構(gòu)造S - 盒的所有運(yùn)算,由S - 盒表達(dá)式的復(fù)雜性可知,想通過(guò)對(duì)式(1-1)的多項(xiàng)式展開后進(jìn)行攻擊是不可行的。

　　1.3 支撐硬件選擇

　　鑒于AES加密算法的特點(diǎn)以及算法的抗攻擊性能，因此，本文選用其作為加密應(yīng)用技術(shù)。加密算法可以通過(guò)軟硬件實(shí)現(xiàn)，由于算法本身的靈活性，效率高，用軟件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單、方便，但同時(shí)也帶來(lái)一些問(wèn)題，使算法的速度、安全性等都在某種程度上受到了影響。AES算法的硬件實(shí)現(xiàn)不僅具有快的速度而且占用的資源也將減少。因此，AES加密算法硬件實(shí)現(xiàn)能夠提供更快的速度和安全性。

　　XILINX作為全球領(lǐng)先的FPGA提供商，其生產(chǎn)的Spartan系列FPGA具有高性價(jià)比，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的嵌入式處理平臺(tái)，支持商用串行(SPI)和并行(BPI)Flash 存儲(chǔ)器與平臺(tái) Flash，每秒高達(dá) 91 億次的乘累加(MAC)運(yùn)算，因此采用Spartan系列FPGA作為AES加密算法實(shí)現(xiàn)的硬件載體。因此，基于Spartan-3e平臺(tái)能夠很好的構(gòu)建一個(gè)SOC系統(tǒng)。

　　1.4 支撐硬件選擇

　　本系統(tǒng)主要的目標(biāo)在于“針對(duì)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，端到端控制過(guò)程中存在的安全隱患和信息邪路問(wèn)題，自主設(shè)計(jì)了一套基于FPGA平臺(tái)的高可靠通信系統(tǒng)”。該系統(tǒng)主要由三部分組成：ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器端，客戶端。如圖1.1所示。

　　服務(wù)器端采用XILINX公司的Spartan-3e開發(fā)平臺(tái)，在該平臺(tái)上構(gòu)建基于MicrBlaze處理器和Xilkernel操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。當(dāng)服務(wù)器端收到經(jīng)過(guò)AES加密的請(qǐng)求IP數(shù)據(jù)包時(shí)，在服務(wù)器端，信息需要經(jīng)過(guò)AES解密處理，根據(jù)解密后信息分析并提取請(qǐng)求方的ID信息和IP信息，客戶端的ID信息是唯一的授權(quán)證號(hào)。

　　客戶端同樣采用XILINX公司的Spartan-3e開發(fā)平臺(tái)，但該系統(tǒng)中只需要定制AES加解密IP、鍵盤IP、LCD IP并添加EDK中自帶的網(wǎng)絡(luò)控制器IP。客戶端作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，當(dāng)需要采集信息時(shí)，客戶端通過(guò)鍵盤把自己的授權(quán)ID信息經(jīng)md5加密后形成自己的加密ID，指令信息和加密ID信息經(jīng)過(guò)AES加密后發(fā)送至服務(wù)器端，當(dāng)服務(wù)器端響應(yīng)其請(qǐng)求后，視其身份權(quán)限做出相應(yīng)處理。