摘 要： 利用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于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 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(wèn)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(kù)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(mén)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(kāi)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(wèn)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(mén)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(xiě)操作、總線BUS_MASTER讀、BUS_MASTER寫(xiě)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(xiě)操作、配置讀操作、配置寫(xiě)操作、I/O讀寫(xiě)傳輸、存儲(chǔ)器讀寫(xiě)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(kāi)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(xiě)、存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)等操作完成數(shù)據(jù)傳輸。I/O讀、寫(xiě)命令用來(lái)從一個(gè)映射到I/O地址空間的設(shè)備中讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器讀、寫(xiě)命令用來(lái)從一個(gè)映射到存儲(chǔ)器地址空間的設(shè)備讀、寫(xiě)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(guò)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(guò)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(lái)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�？刂颇K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(lái)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。
