摘 要： 利用FPGA" title="FPGA">FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于PCI總線" title="PCI總線">PCI總線接口的純硬件加密卡，為PC機(jī)提供加密、簽名等服務(wù)。對(duì)采用VHDL描述的PCI接口IP軟核及其應(yīng)用方法進(jìn)行了分析；采用VHDL設(shè)計(jì)了3DES、MD5等算法模塊，并設(shè)計(jì)了其與PCI接口IP核之間的通信控制模塊；利用Quartus II進(jìn)行仿真、綜合后，下載到加密卡上的FPGA配置芯片，將上述各個(gè)模塊集成在一片F(xiàn)PGA上予以實(shí)現(xiàn)；最后，采用VC++為加密卡設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)試程序，并對(duì)整個(gè)加密卡工作進(jìn)行了功能測(cè)試。
關(guān)鍵詞： PCI總線 3DES算法" title="3DES算法">3DES算法 FPGA
PCI加密卡是基于加解密芯片和PCI總線卡技術(shù)實(shí)現(xiàn)的安全保密設(shè)備，為計(jì)算機(jī)提供數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)字簽名、訪問控制等安全功能，可用于計(jì)算機(jī)文件保護(hù)、電子郵件系統(tǒng)安全保密、辦公自動(dòng)化安全保密、數(shù)據(jù)庫保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)加密等。主要用于帶PCI插槽的臺(tái)式PC機(jī)和工作站， 在防火墻、VPN加密機(jī)等方面具有極為廣泛的應(yīng)用前景[1][2]。
PCI加密卡的數(shù)據(jù)加密分為軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)兩種方式，軟件實(shí)現(xiàn)是指在PCI配置嵌入式微處理器或DSP芯片實(shí)現(xiàn)加密算法；硬件實(shí)現(xiàn)是指采用密碼算法芯片實(shí)現(xiàn)加/解密、簽名算法，具有處理速度快，安全性好的特點(diǎn)。在上述硬件實(shí)現(xiàn)中，PCI總線接口可以采用專門的接口芯片，例如PCI9054實(shí)現(xiàn)；也可以采用PCI接口IP核在密碼專用芯片中實(shí)現(xiàn)。本文采用一片Altera的Cyclone 系列FPGA實(shí)現(xiàn)了加解密算法和PCI接口，并為加密卡開發(fā)了WDM驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)計(jì)了一個(gè)能為PC機(jī)提供數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)完整性、訪問控制等安全功能的PCI加密卡。
1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)
整個(gè)PCI加密卡硬件以一片F(xiàn)PGA為中心，配以FPGA配置芯片、時(shí)鐘等模塊構(gòu)成。PCI接口、3DES、MD5算法等全部在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。整個(gè)加密卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)任務(wù)在FPGA內(nèi)部的邏輯功能完成，包括：PCI接口模塊、控制模塊、輸入輸出緩存模塊和數(shù)據(jù)加密模塊。PCI接口模塊由IP軟核實(shí)現(xiàn)，主要功能是控制和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸；控制模塊主要控制PCI接口與數(shù)據(jù)加密模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸；輸入輸出緩存模塊主要用于寄存由PCI接口模塊輸入后等待處理的數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)算后等待輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果；數(shù)據(jù)加密模塊主要包含硬件實(shí)現(xiàn)后的加密算法，用于對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密運(yùn)算。
在各個(gè)主要模塊中，密碼運(yùn)算模塊的速度將直接影響到整個(gè)加密系統(tǒng)的工作效率。此外，由于控制模塊的主要功能是控制輸入輸出緩存中的數(shù)據(jù)依次進(jìn)入加密模塊，同時(shí)，根據(jù)加密模塊反饋的狀態(tài)信息發(fā)出相應(yīng)的控制信息，所以，控制模塊的設(shè)計(jì)在整個(gè)加密設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中十分重要。
2 PCI接口IP核及其應(yīng)用方法
PCI總線接口有兩種設(shè)計(jì)方案，一是采用專門的PCI接口芯片(例如PCI9054或PCI9052)實(shí)現(xiàn)，二是采用PCI接口IP核在密碼專用芯片中實(shí)現(xiàn)[3]。本加密卡采用第二種方案，由VHDL描述的軟核下載到FPGA中實(shí)現(xiàn)。該P(yáng)CI接口IP核符合標(biāo)準(zhǔn)的PCI2.2協(xié)議，支持I/O操作、配置讀、寫操作、總線BUS_MASTER讀、BUS_MASTER寫以及DMA中斷方式和DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。該IP核設(shè)計(jì)主要采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，包括中斷應(yīng)答、突發(fā)讀操作、突發(fā)寫操作、配置讀操作、配置寫操作、I/O讀寫傳輸、存儲(chǔ)器讀寫傳輸7個(gè)狀態(tài)機(jī)組成。其工作流程如圖2所示。收到幀開始信號(hào)(#FRAM信號(hào)為低)后，根據(jù)PCI總線C/BE[3..0]上的命令，分別進(jìn)入7個(gè)狀態(tài)機(jī)中的一個(gè)。操作結(jié)束后，主機(jī)發(fā)出幀結(jié)束信號(hào)(#FRAM為信號(hào)低)，進(jìn)入等待狀態(tài)，進(jìn)入下個(gè)操作。
利用該P(yáng)CI接口IP核完成加密卡設(shè)計(jì)，必須先確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式。該P(yáng)CI接口IP核支持兩個(gè)256K字節(jié)的I/O空間；支持一個(gè)4M字節(jié)的PCI內(nèi)存空間。在PCI的數(shù)據(jù)傳輸中，主要依靠I/O讀、I/O寫、存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫等操作完成數(shù)據(jù)傳輸。I/O讀、寫命令用來從一個(gè)映射到I/O地址空間的設(shè)備中讀、寫數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器讀、寫命令用來從一個(gè)映射到存儲(chǔ)器地址空間的設(shè)備讀、寫數(shù)據(jù)。在加密卡初期設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)都被映射到I/O地址空間進(jìn)行操作。系統(tǒng)工作的基本過程如下：數(shù)據(jù)從PC機(jī)進(jìn)入PCI接口模塊，先存入PCI接口模塊中指定的I/O存儲(chǔ)單元中；在控制模塊的控制下，依次進(jìn)入密碼算法模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后輸出到輸出緩存之中，由驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑦\(yùn)算結(jié)果傳輸給應(yīng)用程序。
確定了數(shù)據(jù)傳輸方式后，下一步的工作是完成加密算法模塊設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕涌诳刂颇K，按照事先確定的數(shù)據(jù)傳輸方式將其連接到PCI接口模塊。
3 密碼算法模塊設(shè)計(jì)
密碼算法模塊是整個(gè)加密卡設(shè)計(jì)的核心，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到加密卡的性能和安全性。下面以3DES算法為例，介紹密碼算法模塊的設(shè)計(jì)方法。
3.1 3DES算法模塊設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)密鑰的3DES，該加密方案使用兩個(gè)不同的密鑰Key1和Key2對(duì)明文進(jìn)行三次DES或DES-1變換，加密函數(shù)采用加密－脫密－加密序列：
兩個(gè)密鑰的三重DES的有效密鑰長(zhǎng)度是112位。在本設(shè)計(jì)中采用了密碼分組鏈接方式(CBC)。在這種方案中，加密算法的輸入是當(dāng)前的明文分組和前邊的密文分組的異或，對(duì)每個(gè)分組使用相同的密鑰。從效果上看，將明文分組序列的處理連接起來了。每個(gè)明文分組的加密函數(shù)的輸入與明文分組之間不再有固定的關(guān)系，因此，64bit的重復(fù)模式不再會(huì)暴露。
3DES密碼硬件模塊為控制模塊和數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)兩部分。控制模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)通路需要的控制信號(hào)序列，保證數(shù)據(jù)處理單元正確有序地工作。數(shù)據(jù)路徑用來實(shí)現(xiàn)信息傳送和密碼變換的數(shù)據(jù)處理單元。3DES算法設(shè)計(jì)采用迭代結(jié)構(gòu)，由初始置換電路IP、多路選擇電路L_MUX和R_MUX、32-bit L鎖存器、32-bit R鎖存器、擴(kuò)展置換E處理電路、S盒數(shù)據(jù)代替電路、P盒置換電路及末置換IP-1電路構(gòu)成。其運(yùn)算電路如圖3所示。
3.2 3DES輸入輸出模塊設(shè)計(jì)
輸入輸出模塊主要為密碼運(yùn)算模塊提供密鑰、數(shù)據(jù)以及命令信息的模塊。控制信號(hào)主要包括：操作時(shí)鐘CLK、系統(tǒng)初始化INIT、寫使能WEN、讀使能REN、運(yùn)算完畢READY、DIN[31：0]、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出DOUT[31：0]、端口選擇A[2：0]。當(dāng)INIT=1時(shí)，將3DES模塊內(nèi)部所有寄存器復(fù)位并清零；當(dāng)A[2：0]=010， WEN=1時(shí)，在CLK時(shí)鐘上升沿，將命令字由32位數(shù)據(jù)總線寫入芯片內(nèi)部命令寄存器；當(dāng)A[2：0]=001，WEN=1時(shí)，在CLK時(shí)鐘上升沿，將128位的密鑰分四次由32-bit數(shù)據(jù)總線寫入芯片內(nèi)部密鑰寄存器；當(dāng)A[2：0]=000，WEN=1時(shí)，在CLK時(shí)鐘上升沿將64位的數(shù)據(jù)分兩次由32位數(shù)據(jù)總線寫入芯片內(nèi)部輸入數(shù)據(jù)寄存器；每寫夠2個(gè)長(zhǎng)字，3DES模塊開始運(yùn)算，運(yùn)算完畢后，READY變?yōu)楦唠娖剑敵鰯?shù)據(jù)分為兩組分別送入temporary_l和temporary_2兩個(gè)寄存器。3DES Quartus仿真波形如圖4所示。
4 密碼服務(wù)的PCI傳輸控制
完成了密碼算法模塊后，還要設(shè)計(jì)一個(gè)接口控制模塊，將其連接到PCI接口模塊，以實(shí)現(xiàn)密碼模塊與PCI主機(jī)的通信連接。下面以3DES密碼模塊為例，介紹面向PCI傳輸?shù)拿艽a算法接口控制模塊的設(shè)計(jì)。圖5為該模塊的設(shè)計(jì)框圖，在PC機(jī)與加密卡的通信過程中，驅(qū)動(dòng)程序先將數(shù)據(jù)按32bit分組送入PCI中指定的IO存儲(chǔ)器地址中。一次加密服務(wù)流程如下：數(shù)據(jù)首先進(jìn)入輸入緩存模塊，分別將3DES密鑰Key1、Key2送入I/O地址70h，74h，78h，7ch；數(shù)據(jù)送入80h，84h；命令送入88h。待數(shù)據(jù)傳輸完畢，由驅(qū)動(dòng)程序向密碼算法模塊發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，在計(jì)數(shù)器模塊的控制下，命令、IV向量、密鑰、數(shù)據(jù)由緩存模塊依次進(jìn)入密碼運(yùn)算模塊；密碼運(yùn)算完畢后向PCI模塊發(fā)送ready信號(hào)，并把數(shù)據(jù)處理結(jié)果放入輸出緩存地址9ch和a0h中，驅(qū)動(dòng)程序在檢測(cè)的ready信號(hào)為高時(shí)從輸出緩存地址取走數(shù)據(jù)。
5 加密卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)測(cè)試
PCI加密卡為主機(jī)提供加/解密服務(wù)，并為應(yīng)用軟件提供相應(yīng)的軟件接口，主要包括用Visual C++開發(fā)的WDM驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序編程接口函數(shù)庫兩個(gè)部分[4]。在Windows2000系統(tǒng)中可以使用多種驅(qū)動(dòng)程序，如虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(VDD)和內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序。其中，WDM驅(qū)動(dòng)程序是一種PnP驅(qū)動(dòng)程序，它遵循Windows2000即插即用協(xié)議的內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)還遵循電源管理協(xié)議，并能在Windows98、Windows2000和Windows XP間實(shí)現(xiàn)源代碼級(jí)兼容。
應(yīng)用程序與WDM通信時(shí)，應(yīng)用程序先調(diào)用CreateFile函數(shù)打開設(shè)備，然后調(diào)用DeviceIoControl與WDM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，最后用CloseHandle關(guān)閉設(shè)備。主機(jī)應(yīng)用程序用Visual C++開發(fā)生成，主要包括系統(tǒng)的用戶界面設(shè)計(jì)、用于輸入用戶數(shù)據(jù)、顯示運(yùn)算后的結(jié)果數(shù)據(jù)、調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)某種功能。驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序之間的通信分為同步方式和異步方式。若采用同步方式，則應(yīng)用程序調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)時(shí)將被阻塞，等待PCI設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成相應(yīng)操作，直到驅(qū)動(dòng)程序給應(yīng)用程序返回值后，應(yīng)用程序才會(huì)接著運(yùn)行。若采用異步方式，則應(yīng)用程序調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)將立刻返回，不等待驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)的操作。這樣，如果在應(yīng)用程序退出之前，驅(qū)動(dòng)程序還沒完成I/O操作，就需要編寫超時(shí)取消I/O操作的代碼，確保在應(yīng)用程序退出之后正常關(guān)閉設(shè)備。異步方式相對(duì)比較復(fù)雜，考慮到設(shè)計(jì)中算法對(duì)時(shí)序要求高，所以本設(shè)計(jì)選擇同步方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PCI設(shè)備之間的通信。
3DES加密算法和驅(qū)動(dòng)程序全部完成后，為了對(duì)整個(gè)加密卡的功能進(jìn)行驗(yàn)證，開發(fā)了一個(gè)文件加密服務(wù)程序?qū)用芸ㄟM(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程如下：
第一步，系統(tǒng)安裝及初始化。首先將加密卡插入到PCI插槽中，將硬件設(shè)計(jì)下載到FPGA配置芯片后，重新上電，裝載驅(qū)動(dòng)程序，最后，啟動(dòng)應(yīng)用程序開始整個(gè)加密卡的測(cè)試工作。
第二步，加密功能測(cè)試。輸入3DES的兩個(gè)加密初始密鑰Key1、Key2，選擇一個(gè)事先編輯的文本文件Plain.txt為待加密的明文數(shù)據(jù)。模式選擇為加密的情況下，所得密文數(shù)據(jù)輸出到Cipher.txt文件中。
第三步，解密功能測(cè)試。為了便于比較，仍然選用Key1、Key2為3DES的兩個(gè)解密初始密鑰。導(dǎo)入Cipher.txt作為待解密的密文數(shù)據(jù)，在模式選擇為解密的情況下，所得明文數(shù)據(jù)導(dǎo)出在Plain1.txt文件中。經(jīng)過比較，Plain.txt和Plain1.txt完全一致。
上述測(cè)試結(jié)果表明，加密卡驅(qū)動(dòng)程序、PCI接口IP核能夠正確將應(yīng)用程序提供的數(shù)據(jù)傳輸給密碼算法模塊，密碼算法模塊正確完成加解密操作后，數(shù)據(jù)能正確通過PCI接口IP核、驅(qū)動(dòng)程序傳輸?shù)綉?yīng)用程序，即加密卡設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能。下一步還要對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)的性能。
本文討論一個(gè)基于FPGA實(shí)現(xiàn)的PCI加密卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，以3DES算法為例重點(diǎn)討論了密碼算法及其與PCI接口模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)包括驅(qū)動(dòng)程序在內(nèi)的加密卡進(jìn)行了功能測(cè)試。作為一個(gè)功能完善的加密卡，要為PC機(jī)提供數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)完整性、訪問控制等服務(wù)，除了提供3DES加密算法以外，還需要支持AES等加密強(qiáng)度更高的對(duì)稱密碼算法、非對(duì)稱算法、散列算法、簽名驗(yàn)證算法等，這也是下一步要做的主(接上頁)
要工作。
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