邢紅濤，王建功，初 曉

(中國(guó)人民解放軍63895部隊(duì)，河南 孟州 454750)

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸對(duì)安全性的要求也隨之加強(qiáng)。如何確保信息的正確認(rèn)證與嚴(yán)格保密，保證數(shù)據(jù)信息在傳輸與處理過(guò)程中不被非法竊取和篡改，成為信息安全理論與技術(shù)研究的重要內(nèi)容。多數(shù)情況下，數(shù)據(jù)加密是保證信息機(jī)密性的惟一方法。在GPS測(cè)量系統(tǒng)中，GPS定位數(shù)據(jù)以明文形式通過(guò)電臺(tái)進(jìn)行傳輸，可能會(huì)被同型號(hào)電臺(tái)獲取，存在一定的安全隱患。本設(shè)計(jì)應(yīng)用FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)了GPS數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)，通過(guò)MD5加密算法對(duì)管理員口令進(jìn)行加密；DES加密算法對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。這樣，GPS數(shù)據(jù)經(jīng)加密卡加密后再以密文方式發(fā)給電臺(tái)進(jìn)行傳輸，同時(shí)接收端必須使用密鑰將密文解碼才能得到定位數(shù)據(jù)，從而確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

1系統(tǒng)組成及功能

GPS數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)由機(jī)載模塊和服務(wù)器端兩部分組成，通過(guò)電臺(tái)進(jìn)行通信。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1機(jī)載模塊

機(jī)載模塊由 4×4鍵盤(pán)、機(jī)載 LCD、加密卡三部分組成，用戶可通過(guò)4×4鍵盤(pán)發(fā)送預(yù)定義指令、更改密鑰等操作；機(jī)載LCD用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)、飛行參數(shù)等數(shù)據(jù)；加密卡為系統(tǒng)核心部件，主要有以下4個(gè)功能：

(1)解析、處理GPS數(shù)據(jù)、檢測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)并在LCD上顯示相關(guān)信息；

(2)接收GPS數(shù)據(jù)并通過(guò)加密卡對(duì)其加密，將密文通過(guò)電臺(tái)傳送到服務(wù)器端；

(3)處理鍵盤(pán)或服務(wù)器端輸入的預(yù)存指令編號(hào)或新指令，將指令發(fā)給GPS接收機(jī)并返回回饋信息；

(4)更新鍵盤(pán)或服務(wù)器輸入的新密鑰或新管理員口令。新密鑰先保存在Flash中，再通過(guò)總線傳給密鑰寄存器；新口令保存在Flash中。

系統(tǒng)工作時(shí)，加密卡通過(guò)UART IP獲取GPS數(shù)據(jù)后同時(shí)傳給NIOS和DES IP。NIOS解析 GPS數(shù)據(jù)并經(jīng)LCD Controller傳給機(jī)載LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便機(jī)上人員了解設(shè)備工作狀態(tài)；DES IP將GPS數(shù)據(jù)加密后，通過(guò)I/O中斷傳給NIOS，NIOS將密文加入數(shù)據(jù)包頭、尾字節(jié)后，再經(jīng)電臺(tái)傳到服務(wù)器端。

1.2服務(wù)器端

服務(wù)器端為通用計(jì)算機(jī)，其應(yīng)用軟件使用VC++6.0開(kāi)發(fā)，服務(wù)器的主要功能有以下6點(diǎn)：

(1)接收電臺(tái)傳來(lái)的密文并進(jìn)行 DES算法解密、解析和處理GPS數(shù)據(jù)；

(2)顯示GPS參數(shù)，并保存數(shù)據(jù)；

(3)發(fā)送GPS接收機(jī)控制指令；

(4)更改密鑰；

(5)更改管理員口令；

(6)設(shè)置串口參數(shù)。

2數(shù)據(jù)加密算法的原理及應(yīng)用

2.1 MD5算法的原理及應(yīng)用

信息—摘要算法MD5(Message-Digest Algorithm 5)，在90年代初由 Rivest設(shè)計(jì)發(fā)明，經(jīng) MD2、MD3和 MD4發(fā)展而來(lái)。其作用可使大容量信息在用數(shù)字簽名軟件簽署私人密匙前，被“壓縮”成一種保密的格式(對(duì)任意長(zhǎng)度的信息，生成一個(gè)長(zhǎng)度為128 bit的值)。

本設(shè)計(jì)將MD5算法移植到NIOS中，用于加密管理員口令。這樣系統(tǒng)在并不知道管理員口令的明碼情況下就可以確定口令的合法性，從而有效地防止了反編譯等技術(shù)手段對(duì)管理員口令進(jìn)行破解。系統(tǒng)工作時(shí)，NIOS預(yù)先將管理員口令加密后，將MD5值存儲(chǔ)在Flash中，當(dāng)加密卡接收到更改密鑰、更改口令或發(fā)GPS接收機(jī)控制指令等操作命令時(shí)，先將輸入的口令計(jì)算成MD5值，然后與存儲(chǔ)在Flash中的MD5值進(jìn)行比較，如果兩值相同則說(shuō)明口令正確，再進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2.2 DES算法的原理及應(yīng)用

DES(Data Encryption Standard)是一種分組乘積加密算法，是用64 bit的密鑰對(duì) 64 bit的明文加密，64 bit密鑰中每8 bit有一奇偶校驗(yàn)位不參與運(yùn)算，有效密鑰只有56 bit。同時(shí)，它又是對(duì)稱加密算法，其加密和解密運(yùn)算過(guò)程完全相同，只是在迭代運(yùn)算時(shí)子密鑰的使用順序不同[1]。如圖 2所示，64 bit的明文塊在經(jīng)過(guò)初始 IP置換后，被重新排列，然后進(jìn)入16輪的迭代運(yùn)算；每一輪迭代運(yùn)算由一個(gè)f函數(shù)完成；最后一輪迭代的輸出為64 bit，將其左半部分和右半部分互換產(chǎn)生預(yù)輸出；預(yù)輸出再與逆初始置換 IP-1作用產(chǎn)生 64 bit的密文，IP-1是 IP的反變換[2]。

圖2 DES算法總流程

采用軟件方式實(shí)現(xiàn)的DES算法會(huì)在很大程度上占用系統(tǒng)資源，造成系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降，而DES算法本身并沒(méi)有大量的復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算(如乘、帶進(jìn)位的加、模等運(yùn)算)，在加密、解密過(guò)程和密鑰生成過(guò)程中僅有邏輯運(yùn)算和查表運(yùn)算。因而，無(wú)論是從系統(tǒng)性能還是加、解密速度的角度來(lái)看，采用硬件實(shí)現(xiàn)都是一個(gè)理想的方案[3]。

圖3為DES IP的硬件邏輯圖，主要由狀態(tài)控制器、子密鑰生成器、DES算法運(yùn)算器三部分組成。其中，狀態(tài)控制器用于控制IP的工作狀態(tài)、模式和標(biāo)識(shí)完成狀態(tài)；子密鑰生成器將56 bit密鑰分成兩部分，每部分按循環(huán)移位次數(shù)表移位并按置換選擇表置換，從而生成每一輪次運(yùn)算的子密鑰 K(K1，K2，…，K48)；DES 算法運(yùn)算器為整個(gè)IP的關(guān)鍵，它將64 bit中間數(shù)據(jù)分為左右兩部分，分別記為L(zhǎng)i和Ri。單個(gè)運(yùn)算的過(guò)程可以寫(xiě)為下面的公式：

f函數(shù)是 DES算法運(yùn)算器的核心。其中，f(Ri-1，Ki)功能由以下4步完成：

(1)將Ri-1按照擴(kuò)展換位表E擴(kuò)展為48 bit的數(shù)據(jù)；

(2)將擴(kuò)展后的 Ri-1與循環(huán)移位后的 48 bit子密鑰K(K1，K2，…，K48)“異或”；

(3)將“異或”后的結(jié)果送入 8個(gè) S盒(S box)進(jìn)行替代運(yùn)算，每個(gè) S盒都有 6 bit輸入、4 bit輸出，并且 8個(gè)S盒都不相同，48 bit的輸入分為6位一組，分別送到8個(gè)S盒選擇相應(yīng)的輸出，結(jié)果為32 bit；

(4)S盒替代后的 32 bit結(jié)果依照P盒(P box)進(jìn)行置換，置換后結(jié)果即為 f(Ri-1，Ki)的最終值，這樣便完成了f函數(shù)的運(yùn)算。

算法中用到的初始換位表IP、放大換位表 E、替代函數(shù)表 S、換位函數(shù) P、逆初始換位 IP-1、密鑰循環(huán)移位表可在參考文獻(xiàn)[4]中查到。本設(shè)計(jì)中，GPS數(shù)據(jù)的加密在加密卡中完成，解密在服務(wù)器端完成，為方便功能擴(kuò)展，在加密卡中設(shè)計(jì)、保留了解密功能。

2.3 DES算法仿真驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)的DES IP采用ALTERA公司的Quartus 7.0軟件開(kāi)發(fā)及Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)[5]，整個(gè)加密卡在單片Cyclone系列EP1C6Q240C8N芯片上實(shí)現(xiàn)。圖4為Quartus 7.0開(kāi)發(fā)軟件下DES IP的仿真圖。

各仿真信號(hào)的意義及說(shuō)明如下：

時(shí)鐘信號(hào)(clk)：周期為 10 ns、占空比為50%；

復(fù)位信號(hào)(reset_n)：低電平有效，置高；

模式信號(hào)(mode)：加密/解密選擇，‘1’為加密，‘0’為解密；

加載信號(hào)(load)：高電平有效，置高；

加密數(shù)據(jù)(des_in)：8000 0000 0000 0000；

密鑰信號(hào)(key)：0000 0000 0000 0000；

加密結(jié)果(des_out)：95F8 A5E5 DD31 D900；

加密完成信號(hào)(ready)：在第17個(gè)周期后置高。

DES IP工作時(shí)，“密鑰”保存在總線接口的密鑰寄存器中，“加密數(shù)據(jù)”由 NIOS輸入，加密完成后，通過(guò)“加密完成信號(hào)”產(chǎn)生的I/O中斷傳回給NIOS。圖4中，其加密結(jié)果與XILINX公司網(wǎng)站上設(shè)計(jì)參考中給出的數(shù)據(jù)一致，表明DES IP設(shè)計(jì)正確。

本設(shè)計(jì)采用FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)了GPS數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了機(jī)載模塊中DES IP的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用NIOS進(jìn)行DES算法軟件加密時(shí)速度慢，會(huì)出現(xiàn)間隔丟失GPS數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，而采用硬件DES IP進(jìn)行加密處理時(shí)，完全可以滿足GPS接收機(jī)的速度需要，不會(huì)出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象。系統(tǒng)采用MD5算法對(duì)管理員口令進(jìn)行加密，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，因此本設(shè)計(jì)對(duì)解決該GPS測(cè)量系統(tǒng)安全性方面有較大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

[1]胡向東，魏琴芳.應(yīng)用密碼學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006．

[2]賀雪晨，陳林玲，趙琰.信息對(duì)抗與網(wǎng)絡(luò)安全[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006．

[3]褚雄，王子敬，王勇.一種基于 FPGA的 DES加密算法實(shí)現(xiàn) [J]．江 南 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) (自 然 科 學(xué) 版 )，2006，15(6)：661-664．

[4]STALLINGS W.密碼編碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全(第 3版)[M].劉玉珍，王麗娜，傅建明，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[5]徐光輝，程?hào)|旭，黃如.基于FPGA的嵌入式開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006．