基于FPGA技術(shù)的GPS數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

  摘  要： 針對GPS測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全問題，采用FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)了GPS數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)。系統(tǒng)移植MD5算法到NIOS中對系統(tǒng)口令加密，并設(shè)計(jì)DES IP對GPS數(shù)據(jù)加密。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)可有效防止GPS數(shù)據(jù)被非法竊取，具有安全性強(qiáng)、速度快、操作簡便等特點(diǎn)。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸對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測量系統(tǒng)中，GPS定位數(shù)據(jù)以明文形式通過電臺(tái)進(jìn)行傳輸，可能會(huì)被同型號電臺(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MD5加密算法對管理員口令進(jìn)行加密；DES加密算法對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、機(jī)載LCD、加密卡三部分組成，用戶可通過4×4鍵盤發(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)并通過加密卡對其加密，將密文通過電臺(tái)傳送到服務(wù)器端；

　　(3)處理鍵盤或服務(wù)器端輸入的預(yù)存指令編號或新指令，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。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(對任意長度的信息，生成一個(gè)長度為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)，它又是對稱加密算法，其加密和解密運(yùn)算過程完全相同，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]。

　　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、解密過程和密鑰生成過程中僅有邏輯運(yùn)算和查表運(yùn)算。因而，無論是從系統(tǒng)性能還是加、解密速度的角度來看，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Li和Ri。單個(gè)運(yùn)算的過程可以寫為下面的公式:

　　(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軟件開發(fā)及Verilog HDL語言編寫[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開發(fā)軟件下DES IP的仿真圖。

 

　　各仿真信號的意義及說明如下：

　　時(shí)鐘信號(clk)：周期為10 ns、占空比為50%；

　　復(fù)位信號(reset_n)：低電平有效，置高；

　　模式信號(mode)：加密/解密選擇，‘1’為加密，‘0’為解密；

　　加載信號(load)：高電平有效，置高；

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

　　密鑰信號(key)：0000 0000 0000 0000；

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

　　加密完成信號(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“加密完成信號”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)對解決該GPS測量系統(tǒng)安全性方面有較大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。