解析FPGA和USB芯片的加密盒設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 針對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息安全領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)加密和快速處理的需求，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA和USB2.0芯片的數(shù)據(jù)加密盒，實(shí)現(xiàn)了高安全性的國產(chǎn)SM4對(duì)稱密碼算法。該設(shè)備在30個(gè)明文分組、10 000次循環(huán)的測(cè)試條件下數(shù)據(jù)加密速度可達(dá)到126 Mb/s。

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，黑客襲擊事件逐年遞增，給用戶的數(shù)據(jù)安全造成很大的威脅。密碼技術(shù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息安全的核心技術(shù)，是保護(hù)數(shù)據(jù)的重要工具［1］。通過在PC上運(yùn)行軟件進(jìn)行加密的方法占用CPU資源多、處理速度慢、安全性差。近年來，通過采用FPGA、DSP等硬件實(shí)現(xiàn)密碼算法的技術(shù)得到了更多的應(yīng)用。當(dāng)前我國的商用密碼產(chǎn)品大多數(shù)采用PCI、USB接口，PCI接口的產(chǎn)品具有開發(fā)周期長、使用復(fù)雜等缺點(diǎn)，而USB接口的產(chǎn)品加密性能較差。

針對(duì)這些情況，設(shè)計(jì)了一種以FPGA為核心的USB加密盒，充分利用了FPGA的數(shù)據(jù)處理能力和控制能力，實(shí)現(xiàn)了安全可控的國產(chǎn)SM4對(duì)稱密碼算法。在使用中連接到用戶終端，保證重要數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中以密文的方式安全傳輸，具有加密速度快、靈活等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于金融、電信、稅控等信息安全領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

加密盒由USB2.0芯片CH378和FPGA構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。通過Verilog語言在FPGA中設(shè)計(jì)了USB控制模塊、SM4 IP核、SM4控制模塊和雙端口RAM。其中USB控制模塊控制CH378，SM4 IP核實(shí)現(xiàn)SM4對(duì)稱算法，SM4控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)IP核的控制，雙端口RAM作為數(shù)據(jù)的緩存。CH378使用30 MHz時(shí)鐘，利用鎖相環(huán)PLL把時(shí)鐘倍頻到60 MHz作為系統(tǒng)的主時(shí)鐘。FPGA各模塊的時(shí)鐘都為60 MHz，采用了完全同步的設(shè)計(jì)方式，可以有效避免毛刺，使系統(tǒng)穩(wěn)定。

數(shù)據(jù)的加密過程是：上位機(jī)準(zhǔn)備好明文分組數(shù)據(jù)，啟動(dòng)加密操作，USB控制模塊控制CH378把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫p端口RAM，數(shù)據(jù)傳輸完成后，啟動(dòng)SM4控制模塊，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊M4 IP核進(jìn)行加密運(yùn)算，運(yùn)算完成后的密文分組數(shù)據(jù)由SM4控制模塊傳回到RAM，由上位機(jī)取回。數(shù)據(jù)解密過程完成從密文到明文的轉(zhuǎn)換。

2 USB控制模塊設(shè)計(jì)

2.1 CH378接口設(shè)計(jì)

CH378是南京沁恒電子公司的USB2.0芯片，支持USB設(shè)備方式和主機(jī)方式，內(nèi)置了USB通信協(xié)議的基本固件和文件系統(tǒng)管理固件［2］。加密盒采用了USB設(shè)備方式、內(nèi)部固件模式和8位并口的設(shè)計(jì)方式。CH378與FPGA的接口見圖1，其中D是8位數(shù)據(jù)總線；nRD與nWR分別是讀寫控制引腳，低有效；A0是命令口與數(shù)據(jù)口的區(qū)分引腳，為高時(shí)寫命令或讀狀態(tài)，為低時(shí)讀寫數(shù)據(jù)；nINT是中斷輸出引腳，低有效。

2.2 狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

狀態(tài)機(jī)是數(shù)字時(shí)序邏輯中重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計(jì)手段可以將復(fù)雜的控制時(shí)序以圖形化表示，分解為狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將問題簡化［3］。狀態(tài)機(jī)是USB控制模塊的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)CH378的控制。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示，對(duì)各狀態(tài)的編碼采用了格雷碼，可以有效地防止毛刺，使系統(tǒng)穩(wěn)定［4］。

系統(tǒng)上電后FPGA首先對(duì)CH378初始化，狀態(tài)機(jī)處于空閑狀態(tài)。采用USB的批量端點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸［5］，下傳時(shí)數(shù)據(jù)由上位機(jī)傳輸?shù)郊用芎?，端點(diǎn)號(hào)為0x02，支持最大包512 B；上傳時(shí)數(shù)據(jù)由加密盒傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，端點(diǎn)號(hào)為0x82，最大包也是512 B。CH378完成數(shù)據(jù)的下傳后通過nINT引腳向FPGA發(fā)送中斷。在TX_C22狀態(tài)FPGA向CH378寫命令字0x22，請(qǐng)求獲得中斷狀態(tài)值；狀態(tài)機(jī)在RX_INT狀態(tài)讀取中斷狀態(tài)值，若為0x04表示端點(diǎn)0x02的接收器接收到數(shù)據(jù)，否則說明未能接收到數(shù)據(jù)；

在TX_C23狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)釋放USB緩沖區(qū)；在TX_C29狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)向CH378寫入命令字0x29和端點(diǎn)號(hào)0x02，使CH378準(zhǔn)備從0x02端點(diǎn)緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)塊，之后進(jìn)入RX_DAT狀態(tài)，依次把從端點(diǎn)緩沖區(qū)讀取的數(shù)據(jù)分組長度和數(shù)據(jù)分組寫入RAM，傳輸完成后CH378釋放緩沖區(qū)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入SM4_SF狀態(tài)，啟動(dòng)SM4控制模塊。

SM4模塊完成之后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入TX_C2A狀態(tài)，向CH378寫入命令字0x2A和端點(diǎn)號(hào)0x82，使CH378做好發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，之后進(jìn)入TX_DAT狀態(tài)，讀取RAM中的運(yùn)算結(jié)果并寫入端點(diǎn)0x82的發(fā)送緩沖區(qū)，由CH378把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。至此完成了數(shù)據(jù)的傳輸過程，狀態(tài)機(jī)回到空閑狀態(tài)。

3 SM4 IP核設(shè)計(jì)

3.1 SM4算法簡介

SM4算法是由國家密碼管理局發(fā)布的對(duì)稱密碼算法，分組長度和密鑰長度都為128位。加密算法與密鑰擴(kuò)展算法都采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)［6］。解密算法與加密算法的結(jié)構(gòu)相同，只是解密輪密鑰是加密輪密鑰的逆序。SM4算法的密鑰空間包含2128個(gè)密鑰，數(shù)量十分龐大，破解由SM4算法加密的密文難度極大，算法安全性很高。

3.2 IP核關(guān)鍵邏輯設(shè)計(jì)

SM4 IP核模塊的接口見圖1，start是算法啟動(dòng)信號(hào)；op是模式選擇接口，為0時(shí)讀入密鑰，為1時(shí)進(jìn)行加密操作，為2時(shí)進(jìn)行解密操作；datain是數(shù)據(jù)輸入；dataout是數(shù)據(jù)輸出；done是運(yùn)算結(jié)果輸出標(biāo)志位。

SM4加密算法采用了32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)，每輪變換的邏輯如圖3所示。初始明文分組為（X0，X1，X2，X3）∈（Z232）4，（Z232）4為4個(gè)32 bit字，從端口datain輸入，密文是（Y0，Y1，Y2，Y3）∈（Z232）4，輪密鑰為rki∈Z232，i=0，1，2，…，31。在每一輪中Xi+1，Xi+2，Xi+3與rki相異或后形成數(shù)據(jù)A，即A=Xi+1⊕Xi+2⊕Xi+3⊕rki，經(jīng)過S盒非線性變換成為數(shù)據(jù)B，即Sbox（A）=B。S盒中的數(shù)據(jù)采用查找表的結(jié)構(gòu)預(yù)先存儲(chǔ)于FPGA的ROM中，由16行×16列的字節(jié)數(shù)據(jù)構(gòu)成。

例如A的低8位數(shù)據(jù)A［7..0］=0xEF對(duì)應(yīng)于S盒中第E行和第F列的值，經(jīng)過S盒變換后成為B［7..0］=Sbox（A［7..0］）=0x84。A需要經(jīng)過4個(gè)S盒并行運(yùn)算后成為數(shù)據(jù)B。對(duì)B進(jìn)行循環(huán)移位、異或后形成C，C=B⊕（B《《《2）⊕（B《《《10）⊕（B《《《18）⊕（B《《《24），最后C與Xi異或后形成Xi+4，即Xi+4=Xi⊕C。最終密文（Y0，Y1，Y2，Y3）=（X35，X34，X33，X32），從端口dataout輸出。解密變換與加密變換結(jié)構(gòu)相同，加密時(shí)輪密鑰的使用順序是：rk0，rk1，…，rk31，解密時(shí)輪密鑰的使用順序與加密時(shí)相反。

SM4算法的輪密鑰由128 bit的加密密鑰通過密鑰擴(kuò)展算法生成，設(shè)加密密鑰MK=（MK0，MK1，MK2，MK3）∈（Z232）4，同樣從datain輸入。令Ki∈Z232，i=0，1，。。。，35，首先令（K0，K1，K2，K3）=（MK0⊕FK0，MK1⊕FK1，MK2⊕FK2，MK3⊕FK3），其中（FK0，F(xiàn)K1，F(xiàn)K2，F(xiàn)K3）∈（Z232）4為已知的系統(tǒng)參數(shù)。輪密鑰的邏輯如圖4所示，其中CKi是固定參數(shù)。經(jīng)變換后輪密鑰rki=Ki+4i=0，1，…，31。

4 SM4控制模塊

SM4控制模塊的作用是控制SM4 IP核進(jìn)行數(shù)據(jù)的加密或解密，核心同樣是狀態(tài)機(jī)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖5所示，對(duì)狀態(tài)的編碼同樣采用了格雷碼。

狀態(tài)機(jī)開始處于空閑狀態(tài)，由fsm_start信號(hào)啟動(dòng)后進(jìn)入RD_LEN狀態(tài)，讀取RAM中的數(shù)據(jù)分組長度。在RD_FLAG狀態(tài)讀取RAM中的模式選擇位，判斷執(zhí)行加密或解密的操作；之后進(jìn)入RD_KEY狀態(tài)，從RAM中讀取16 B的密鑰數(shù)據(jù)后發(fā)送給SM4 IP核；之后進(jìn)入WAIT1狀態(tài)，等待IP核讀取密鑰；狀態(tài)機(jī)進(jìn)入RD_DAT狀態(tài)后，依次讀取RAM中的16 B明文數(shù)據(jù)發(fā)送給IP核；

進(jìn)入WAIT2狀態(tài)后，等待IP核把一個(gè)分組的數(shù)據(jù)處理完成（加密或解密），done信號(hào)輸出高電平；進(jìn)入WR_DAT狀態(tài)后，把IP核運(yùn)算完成后的128 bit數(shù)據(jù)分組（密文或明文）寫入RAM；進(jìn)入SF_JUDGE狀態(tài)后，判斷是否處理完所有的數(shù)據(jù)分組，若未處理完則返回到RD_DAT狀態(tài)，若處理完所有的數(shù)據(jù)分組則返回空閑狀態(tài)。一次USB批量傳輸可以處理的數(shù)據(jù)分組是1~30個(gè)。

5 雙端口RAM模塊

雙端口RAM的作用是緩存數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)RAM的容量為512 B，上位機(jī)和FPGA可以對(duì)RAM進(jìn)行獨(dú)立訪問，使設(shè)計(jì)更加靈活。對(duì)RAM的訪問順序如下：

（1）上位機(jī)寫RAM：上位機(jī)把數(shù)據(jù)傳送到端點(diǎn)緩沖區(qū)后，CH378把數(shù)據(jù)寫入RAM，WR_addr是RAM的寫地址端口，ram_wr是寫使能端口，data是數(shù)據(jù)輸入端口。

（2）SM4控制模塊讀RAM：啟動(dòng)SM4控制模塊后，讀取RAM中的數(shù)據(jù)并傳送到SM4 IP核，RD_addr是RAM的讀地址端口，q是數(shù)據(jù)輸出端口。

（3）SM4控制模塊寫RAM：當(dāng)IP核完成數(shù)據(jù)運(yùn)算后，SM4控制模塊將運(yùn)算結(jié)果通過data端口寫入到RAM。

（4）上位機(jī)讀RAM：CH378讀取RAM中的運(yùn)算結(jié)果，傳輸?shù)経SB批量上傳端點(diǎn)的發(fā)送緩沖區(qū)并把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

FPGA芯片選用了Cyclone IV系列的EP4CE15F17C8N，I/O引腳數(shù)為166，RAM總量為63 KB，邏輯單元LE為15 408個(gè)［7］。整個(gè)設(shè)計(jì)在Altera的開發(fā)工具Quartus II 11.1中先后完成綜合、功能仿真、布局布線后，通過邏輯分析儀并結(jié)合上位機(jī)軟件進(jìn)行調(diào)試。最終綜合結(jié)果是：占用存儲(chǔ)單元3 KB，邏輯單元3 921個(gè)。另外，經(jīng)時(shí)序分析所有信號(hào)的建立、保持時(shí)間無違規(guī)路徑。圖6是調(diào)試通過的波形圖。

圖6顯示了一個(gè)明文的加密過程，start信號(hào)變高后，SM4 IP核從端口datain讀入明文，此時(shí)信號(hào)op=1指示加密過程的開始。運(yùn)算完成后IP核的done信號(hào)變高，dataout端口輸出128 bit的密文；之后SM4控制模塊通過端口ram_di把密文寫入到RAM中，寫RAM地址WR_addr實(shí)現(xiàn)遞增，RAM寫使能控制信號(hào)ram_wr變?yōu)楦唠娖健D中明文、密鑰和密文與SM4算法標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)一致。

上位機(jī)軟件是結(jié)合CH378驅(qū)動(dòng)程序和Visual C++6.0軟件在Windows XP環(huán)境下開發(fā)而成的。對(duì)SM4算法的性能進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置每次批量傳輸時(shí)數(shù)據(jù)的最大分組為30個(gè)，通過10 000次循環(huán)測(cè)試，測(cè)得數(shù)據(jù)加密（解密）的速率為126 Mb/s。

7 結(jié)論

本文基于FPGA和USB2.0芯片的加密盒，通過FPGA實(shí)現(xiàn)了國密SM4對(duì)稱密碼算法，應(yīng)用于工程實(shí)踐中，滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)加密的需求。與市場上的密碼產(chǎn)品相比，具有集成度高、加密速度快、性能高的優(yōu)勢(shì)。作為后續(xù)的工作，可以在FPGA中集成多種其他的國產(chǎn)密碼算法，使得該加密盒的應(yīng)用更加靈活和廣泛。

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