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。客戶端作為整個系統(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)模ＷC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)結構框圖如圖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)結構框圖
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)結構框圖如圖2-2圖所示。客戶端作為整個系統(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，視其身份權限做出相應處理。
圖2 客戶端的系統(tǒng)結構框圖
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作為授權客戶的唯一ID，根據(jù)ID信息與授權的ID列表進行比較，若為授權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ID，則說明該網(wǎng)絡已存在非授權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。客戶端軟件流程圖如圖3-4圖所示。
結論
該系統(tǒng)采用FPGA平臺構建基于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要求。