安全通信系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)

摘要：本文針對網(wǎng)絡通信過程中存在信息泄露、信息篡改、非法用戶入侵等安全威脅而設計的一套基于FPGA平臺的的網(wǎng)絡通信安全傳輸系統(tǒng)。
關鍵詞：網(wǎng)絡通信；FPGA；加密.

緒論

　　信息安全的解決方案目前主要集中于采取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提供了較好的保障，但各有缺點和不足，這將成為網(wǎng)絡防護的軟肋，因此，本文也嘗試性地提出了一種集數(shù)據(jù)加密技術(shù)和訪問控制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、高可靠性、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現(xiàn)方案。本文在xilinx公司的spartan-3e平臺中構(gòu)建一個嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)安全網(wǎng)絡通信。

系統(tǒng)設計

　　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脅而設計的一套基于FPGA平臺的網(wǎng)絡信息安全傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用客戶機/服務器模式，因此，系統(tǒng)主要包括兩個部分：客戶端和服務器端?？蛻舳俗鳛檎麄€系統(tǒng)的控制中心，根據(jù)實際需要，向服務器端發(fā)送請求，并顯示接收到的信息。服務器端響應客戶端的請求，發(fā)送相應信息。服務器端和客戶端之間的信息都是經(jīng)過加密后進行傳輸?shù)?，保證信息的安全可靠性。

系統(tǒng)服務器端設計

　　服務器端采用XILINX公司的Spartan-3e開發(fā)平臺，在該平臺上構(gòu)建基于MicrBlaze處理器和Xilkernel操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中通過定制AES加密IP、鍵盤IP、LCD IP、通用擴展接口控制IP并添加EDK中自帶的網(wǎng)絡控制器IP、串口IP等，服務器端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。當服務器端收到經(jīng)過AES加密的請求IP數(shù)據(jù)包時，在服務器端，信息需要經(jīng)過AES解密處理，根據(jù)解密后信息分析并提取請求方的ID信息和IP信息，客戶端的ID信息是唯一的授權(quán)證號，根據(jù)客戶端的ID信息，作出相應的處理。

圖1 服務器端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)服務器端設計

　　客戶端同樣采用XILINX公司的Spartan-3e開發(fā)平臺，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)絡控制器IP，客戶端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2圖所示?？蛻舳俗鳛檎麄€系統(tǒng)的控制中心，當需要采集信息時，客戶端經(jīng)md5算法形成自己的唯一授權(quán)ID，指令信息和ID信息經(jīng)過AES加密后發(fā)送至服務器端，當服務器端響應其請求后，視其身份權(quán)限做出相應處理。

圖2 客戶端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)具體實現(xiàn)

　　該系統(tǒng)采用模塊化設計實現(xiàn)，系統(tǒng)包括客戶端和服務器端。系統(tǒng)客戶端和服務器端的實現(xiàn)都是基于xilinx公司的spartan-3e平臺來實現(xiàn)的。
系統(tǒng)服務器端實現(xiàn)

　　·AES算法的硬件實現(xiàn)

　　AES算法是一種迭代分組密碼，采用的是代替/置換網(wǎng)絡（SP）。AES加密算法的實現(xiàn)包括密鑰擴展過程和加密過程。AES解密算法的實現(xiàn)包括密鑰擴展過程和解密過程。解密過程與加密過程類似，是加密過程的逆運算，AES加解密過程如圖3所示。

圖3 AES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)中采用VHDL語言編寫代碼。根據(jù)AES加解密算法的相似性，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)中采用密鑰長度和分組數(shù)據(jù)塊長度都為128bits，輸入信息都為字符型的數(shù)據(jù)，采用對字符加解密，因此，每一個字符都將對應其ASCII值輸入。AES加解密實現(xiàn)主要有4個模塊：控制模塊、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3-2圖所示。
AES加解密模塊的實現(xiàn)經(jīng)過ISE 綜合后占用資源利用情況如表1所示。

表1 AES加解密資源利用表



圖4 AES加解密實現(xiàn)框圖

　　·接口模塊的實現(xiàn)

　　服務器端采用Spartan-3e平臺擴展了PS2接口、16X2的LCD液晶顯示，3個6針的通用擴展接口，這些接口方便了外設的連接和擴展。鍵盤在該系統(tǒng)中實現(xiàn)了單向通信，擴展接口模塊通過平臺通用擴展接口J1、J2、J3與外接設備進行信息交互。Spartan-3e平臺通過串口DTE和GSM模塊進行通信，將相應的信息通過短信的方式發(fā)送到指定手機中。

　　各個接口模塊通過EDK添加自定義IP的方式添加到OPB總線中，其中鍵盤、LCD、串口DTE使用中斷。驅(qū)動程序在自動生成的驅(qū)動程序模板基礎上完成各個模塊的驅(qū)動程序。

　　·網(wǎng)絡安全檢測及報警實現(xiàn)

　　服務器端通過添加EDK中網(wǎng)絡控制器IP核，移植LwIP網(wǎng)絡協(xié)議棧，實現(xiàn)基于SOCKET的網(wǎng)絡通信。服務器端收到客戶端請求時，對接收到的IP數(shù)據(jù)包進行解密，對請求的IP數(shù)據(jù)包進行分析，提取對應的ID信息和IP信息，由于該ID信息是經(jīng)過md5算法產(chǎn)生的，因此該ID作為授權(quán)客戶的唯一ID，根據(jù)ID信息與授權(quán)的ID列表進行比較，若為授權(quán)ID，則根據(jù)客戶請求把相應的信息加密處理后發(fā)送至客戶端；若為非授權(quán)ID，則說明該網(wǎng)絡已存在非授權(quán)ID用戶，此網(wǎng)絡已經(jīng)存在不安全性，則把提取的IP信息通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送至指定接收端手機，達到網(wǎng)絡的實時檢測和報警功能。

　　·服務器端軟件實現(xiàn)

　　服務器端構(gòu)建基于MicroBlaze處理器和Xilkernel操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，通過擴展PS2鍵盤，LCD液晶顯示屏等設備，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)就可以靈活應用。雖然其沒有網(wǎng)絡系統(tǒng)，但可以通過移植LwIP協(xié)議棧就可以實現(xiàn)基于SOCKET的網(wǎng)絡通信。

　　應用程序的設計主要包括系統(tǒng)的初始化、系統(tǒng)對客戶端請求的處理、網(wǎng)絡安全監(jiān)測及報警等。系統(tǒng)的初始化主要針對外設的初始化，LCD初始化工作：允許中斷函數(shù)microblaze_enable_interrupts()，初始化函數(shù)LCD INIT_LCD()，PS2 鍵盤初始化：初始化鍵盤函數(shù)init_kbd()，允許中斷函數(shù)enable_interrupt()，系統(tǒng)調(diào)用xilkernel_main()進入xilkernel，創(chuàng)建socket_thread。初始化lwip，并創(chuàng)建socket_app_thread。該線程主要是針對網(wǎng)絡參數(shù)設定，通過IP4_ADDR()函數(shù)設定ip、網(wǎng)關、子網(wǎng)掩碼。

　　當系統(tǒng)運行時，液晶顯示相關信息，當出現(xiàn)等待鍵盤輸入密鑰時，輸入16個字符密鑰，同時對密鑰進行密鑰確認。系統(tǒng)調(diào)用socket()函數(shù)創(chuàng)建socket，調(diào)用listen()函數(shù)開始監(jiān)聽。

　　一旦接收到用戶請求時就創(chuàng)建socket_process_thread線程。在socket_process_thread線程中，提取IP數(shù)據(jù)包的相關信息，首先檢查客戶端發(fā)送的ID是否在授權(quán)ID列表之內(nèi)，如果ID無誤，將從無線模塊接收到的數(shù)據(jù)進行AES加密，發(fā)送加密過后的數(shù)據(jù)給客戶端。如果ID有錯誤，提取其收到IP數(shù)據(jù)包中的IP，并啟用GSM模塊，將提得的IP通過短信發(fā)送給指定接收端。 

　　整個服務器端的軟件設計流程圖如圖5圖所示。

圖5 服務器端軟件流程圖

系統(tǒng)客戶端實現(xiàn)

　　客戶端的系統(tǒng)構(gòu)建與服務器端相似，系統(tǒng)的原理可以參考服務器端的系統(tǒng)設計。應用程序的設計也包括系統(tǒng)的初始化，客戶請求的處理及解密處理，服務器端返回的信息處理。初始化外設，LCD初始化：允許中斷函數(shù)microblaze_enable_interrupts()，初始化LCD函數(shù)INIT_LCD()，PS2 鍵盤初始化：初始化鍵盤函數(shù)init_kbd()，允許中斷函數(shù)enable_interrupt()。系統(tǒng)調(diào)用xilkernel_main()進入xilkernel，創(chuàng)建socket_thread。液晶顯示等待鍵盤輸入密鑰，輸入密鑰后需再次確認密鑰，確認成功后啟動客戶端。初始化LwIP，并創(chuàng)建socket_app_thread。配置網(wǎng)絡參數(shù)，通過IP4_ADDR()函數(shù)設定ip、網(wǎng)關、子網(wǎng)掩碼。等待用戶按鍵，提出所要數(shù)據(jù)申請。調(diào)用socket()函數(shù)創(chuàng)建socket，連接server，發(fā)送經(jīng)過md5加密后的授權(quán)ID，等待server響應。.當接收到server返回的數(shù)據(jù)時，調(diào)用AES解密模塊進行解密。在LCD上顯示數(shù)據(jù)，并等待用戶再次提出所要數(shù)據(jù)申請?？蛻舳塑浖鞒虉D如圖3-4圖所示。

結(jié)論

　　該系統(tǒng)采用FPGA平臺構(gòu)建基于Microblaze軟核和Xilkernel操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。本文主要對下述內(nèi)容進行了論述和自主開發(fā)：

　　1．AES加解密算法的原理介紹及基于FPGA的硬件自主實現(xiàn)。

　　2．構(gòu)建基于Microblaze軟核和Xilkernel操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，自定制外設接口IP。

　　3．網(wǎng)絡安全檢測的實現(xiàn)及通過GSM網(wǎng)絡報警機制的設計與實現(xiàn)。

　　經(jīng)過單元測試和整體評測，各模塊獨立運行功能良好，均達到系統(tǒng)設計要求。系統(tǒng)整體測試運行平穩(wěn)，可靠性強。完全可以達到實際應用的性能及技術(shù)要求。

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