軟件無線電的遠(yuǎn)程安全配置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要  介紹一種軟件無線電以太網(wǎng)的配置方案。誼設(shè)計(jì)使用Atmel公司的FPSLIC微控制器作為主控單元，韓國Wiznet公司的W3100A為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析單元。在SystemDesigner3.0開發(fā)環(huán)境中，完成系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制端的安全通信和遠(yuǎn)程配置文件的加戢，使配置后的系統(tǒng)根據(jù)不同用戶有不同的硬件解密功能，最大程度地保證軟件無線電的配置安全。
關(guān)鍵詞 軟件無線電 配置系統(tǒng) FPSIJlC W31OOA

引 言
    隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信技術(shù)開始從數(shù)字化走向軟件化。軟件無線電的出現(xiàn)掀起了無線通信技術(shù)的又一次革命，已成為目前通信領(lǐng)域中最重要的研究方法之一。它的基本思想是把模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件功能單元通過一個(gè)通用的硬件平臺(tái)連接起來作為無線通信的基本平臺(tái)，把盡可能多的無線及個(gè)人通信的功能用軟件來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于組成通用硬件平臺(tái)的可編程器件(DSP、FPGA等)，可以首先根據(jù)總體要求建立完整的軟件庫，然后實(shí)時(shí)、靈活地配置到硬件平臺(tái)上。

    軟件無線電，特別是軟件無線電臺(tái)在其遠(yuǎn)程的配置過程中，要求較高的安全保密措施。傳統(tǒng)的配置文件下載方法在數(shù)據(jù)傳遞的通路上都是明文傳輸，存在著安全的隱患，很容易被竊取和攻擊；因此，一種確保軟件無線電遠(yuǎn)程配置的安全系統(tǒng)在軟件無線電系統(tǒng)中就顯得非常重要。軟件無線電的通用硬件平臺(tái)通常主要由專用ASIC和DSP、FPGA兩種可編程器件組成。FPGA編程特性分為熔絲型、基于EEPROM技術(shù)型和基于SRAM技術(shù)型三種?；赟RAM技術(shù)的FPGA由于容量大，設(shè)計(jì)資源豐富，設(shè)計(jì)較為靈活且可以重復(fù)操作，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，但是由于它的結(jié)構(gòu)類似于SRAM，掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，因此每次上電后需要對(duì)它們進(jìn)行重新加載。目前，常用的加載方法有通過PC電纜、外掛ROM和單片機(jī)控制加載等。在軟件無線電中，通過PC和外掛單片機(jī)都將增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，也不適合于軟件無線電臺(tái)的應(yīng)用環(huán)境；因此在軟件無線電臺(tái)中，常常選擇外掛EEPROM來保存和更新FPGA的配置程序。由于所開發(fā)的軟件無線電系統(tǒng)采用xilinx公司的VIRTEX系列FPGA，配合外掛XCl8V02存儲(chǔ)器，因此對(duì)于FPGA的配置只要更新XCl8V02中的存儲(chǔ)文件就可以了。

1 軟件無線電安全配置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)分為管理控制和終端兩大部分。管理控制部分主要由軟件完成對(duì)已經(jīng)生成的配置文件加密、用戶登陸和傳送配置文件三個(gè)主要功能。配置系統(tǒng)的終端在配置文件過程中，首先判別不同用戶的識(shí)別信息，然后通過MCU將文件解密，在配置過程中通過MCU的接口將解密后的配置文件存儲(chǔ)到EEPROM中，并在全部完成后重新啟動(dòng)系統(tǒng)，EEPROM中的配置信息被加載到片內(nèi)，系統(tǒng)開始啟動(dòng)新的任務(wù)。對(duì)于不同的用戶，可以根據(jù)自己的需要選擇不同的加密算法，對(duì)自己所需要配置的文件進(jìn)行二次加密，從而更進(jìn)一步保證文件的安全性。這個(gè)加密算法的解密由MCU及其協(xié)處理器(FPGA)來完成，因此在加載不同用戶的配置信息的時(shí)候，不同的解密算法也會(huì)被加載到系統(tǒng)上，形成一個(gè)具有硬件解密功能的軟件無線電臺(tái)配置系統(tǒng)平臺(tái)。

    軟件無線電臺(tái)安全配置系統(tǒng)終端部分的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    終端部分主要由兩部分組成：W3100部分是以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片W31OOA為核心，完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的解析；FPSLIC部分是以Atmel公司FPSLIC器件AT94K系列微處理器為核心，完成全部控制功能和配置文件的解密。

1.1 W31DOA系統(tǒng)
    W3100A系統(tǒng)主要完成對(duì)遠(yuǎn)程控制信息和傳送數(shù)據(jù)TCP／IP包的解析，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。這款芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為4部分：與處理器接口部分(MCU Interface)、硬件網(wǎng)絡(luò)協(xié)議核、存儲(chǔ)器(DPRAM)和與MII接口部分。其中MII接口接上一個(gè)物理層芯片，系統(tǒng)中采用RTL8201BL。這款芯片能從硬件上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的關(guān)鍵是它的協(xié)議引擎。在它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有幾個(gè)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相關(guān)的寄存器：命令寄存器C_CR，它的各位分別表示系統(tǒng)初始化、通道Socket初始化、建立連接、偵聽、接收、發(fā)送、關(guān)閉等命令，將命令寄存器C-CR置位就可以完成相應(yīng)的命令；C-DIR為目的IP地址寄存器；C-DPR為目的端口地址寄存器；C-TOSR為服務(wù)類型寄存器，對(duì)應(yīng)于IP報(bào)頭的TOS字段；C-IPR為IP協(xié)議寄存器，對(duì)應(yīng)于IP報(bào)頭的協(xié)議字段；C-SPR為源端口寄存器；C-SSRSocket為狀態(tài)寄存器；GAR為網(wǎng)關(guān)地址寄存器；SMR為子網(wǎng)屏蔽寄存器；SHAR為源硬件地址寄存器；SItR為源IP地址寄存器等等。
 
    與主控部分FPSLIC器件連接選擇I2C接口，系統(tǒng)主機(jī)部分發(fā)送的配置信息在W3100A部分解析TCP／IP協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式，然后發(fā)送給MCU。此時(shí)MCU接收到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過加密的配置信息。

1.2 FPSLIC系統(tǒng)
    FPSIC系統(tǒng)接收來自W3100A系統(tǒng)解析后的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部MCU將數(shù)據(jù)解密并將解密后的數(shù)據(jù)存放到存儲(chǔ)器。當(dāng)全部接收完成后，系統(tǒng)自動(dòng)重新啟動(dòng)，新的配置信息將被加載，系統(tǒng)開始新的任務(wù)。

    這個(gè)過程如圖3所示。在這個(gè)過程中，除了相同的文件接收、系統(tǒng)解密、文件發(fā)送等相同的配置信息外，還可以根據(jù)不同的用戶配置不同的軟件無線電解密信息。真正軟件無線電的配置信息需要等待系統(tǒng)終端配置完成并重新啟動(dòng)后，從主機(jī)端接收加密的配置信息并解密得到。這個(gè)過程如圖4所示。

    FPSIC系統(tǒng)采用Atrrlel公司的AT94K40為控制器，包含1個(gè)AVR單片機(jī)內(nèi)核和l片40K門數(shù)的FPGA以及1個(gè)32K動(dòng)杰分布的靜杰存儲(chǔ)器(SRAM)。

    嵌入式AVR內(nèi)核在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行指令。它的吞吐量接近l MIPS／MHz，而AVR的實(shí)際吞吐量可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨著處理速度而優(yōu)化電源功耗。30 MIPS的AVR內(nèi)核給予增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)，是一個(gè)集合了32個(gè)工作寄存器的指令組合系統(tǒng)。這些工作寄存器直接連接到算術(shù)邏輯單元，使得在單個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行單條指令時(shí)，能響應(yīng)2個(gè)獨(dú)立的寄存器。30 MIPS的吞吐量能使FPSLIC電路適應(yīng)任何高性能的應(yīng)用場(chǎng)所。微處理器中固有的硬件乘法器支持復(fù)雜的DSP功能，并支持微處理器和FPGA及DSP的邏輯電路軟件和硬件算法。

    AVR單片機(jī)內(nèi)核的數(shù)據(jù)總線直接和FPGA的總線資源相聯(lián)結(jié)，可以將FPGA用作AVR的I／O設(shè)備。用戶可以利用FPGA實(shí)現(xiàn)各種外設(shè)或當(dāng)作協(xié)處理器。FPGA具有16條編碼地址線，可以為AVR提供最多16個(gè)中斷信號(hào)。在工作狀態(tài)中，AVR可以對(duì)FPGA重新編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)配置。系統(tǒng)中用FPGA的中斷來判斷一個(gè)數(shù)據(jù)是否解密完成，完成后，繼續(xù)下一個(gè)數(shù)據(jù)。AVR向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)的程序如下所示：
    void senddata_to_fpga(void)( ／／發(fā)送數(shù)據(jù)到FPGA
    FPGA_INT_FLAG=O；
    delay(500)：
    FI1SCR=Ox00; ／／配置FPGAI／O選擇線
    FISUA=0x00t
    FISCR=0X80; ／／使能FPGA_AVR中斷
    FIUA=OX11； ／／選擇FPGA中斷0
    }
    #pragma interrupt_handler FPGA_intO_isr：iv_FPGA_lNT0
    void FPGA_int0_isr(void){
    PORTD'=0X04;
    FPGA_lNT_FLAG=1； ／／FPGA發(fā)送完成后，請(qǐng)求終端
    ／／接收下一個(gè)數(shù)據(jù)
    }
    crc=crc<<1；
    }

    信息的加載過程中，數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)及傳輸協(xié)議如下：

    每個(gè)數(shù)據(jù)幀都由開始位、包號(hào)碼、包號(hào)校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)位五部分組成。配置信息過程中，如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷或者人為破壞，使得配置信息不能夠順利加載，系統(tǒng)將根據(jù)配置信息加載信息流的傳輸協(xié)議返回錯(cuò)誤信息，并中斷傳輸，保持以前用戶的信息不變。因此，當(dāng)一個(gè)用戶的登陸或加載失敗時(shí)，系統(tǒng)并不受影響，而是保持原來的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。

3 配置信息的生成和加載
    不同的用戶可以在自己的加密算法開發(fā)完成后，用SystemDesigner3．0所包含的下載軟件CPS(Configurator Programming System)將文件下載到系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試成功后，再用CPS將文件從器件中讀出，生成．bst文件。

    讀取文件時(shí)，CPS的設(shè)置如圖6所示。

    系統(tǒng)在主機(jī)端提供了二進(jìn)制文件加密生成軟件，可以將這個(gè)．bst文件加密并轉(zhuǎn)化成．hex的二進(jìn)制文件，用來配置終端系統(tǒng)。這個(gè)加密算法是系統(tǒng)本身提供的，對(duì)于任何用戶都是相同的，目的在于保護(hù)終端配置信息在傳輸通道上的安全。二進(jìn)制加密配置文件生成的過程如圖7所示。當(dāng)用戶登錄成功后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶信息自動(dòng)配置用戶預(yù)先設(shè)定好的配置信息。當(dāng)返回成功配置信息后，用戶就可以通過終端解密來實(shí)現(xiàn)軟件無線電的配置。

結(jié)語
    通過驗(yàn)證，本系統(tǒng)能夠很好地完成遠(yuǎn)程軟件無線電的安全配置，達(dá)到了預(yù)期的目的。W3100A系統(tǒng)利用簡單的設(shè)計(jì)完成了配置系統(tǒng)與以太網(wǎng)的結(jié)合，適用于基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。應(yīng)用FPSLIC微控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有體積小、功耗低等特點(diǎn)。在此平臺(tái)上開發(fā)軟件無線電的安全配置系統(tǒng)，具有很大的優(yōu)越性。這種設(shè)計(jì)可以推廣到更多要求高安全性的在線可編程系統(tǒng)應(yīng)用中。