基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密接口卡的硬件實(shí)現(xiàn)方案

【摘 要】本文根據(jù)作者的實(shí)際的開(kāi)發(fā)過(guò)程，提出了一種切實(shí)可行的基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的橢圓曲線(xiàn)加密接口系　統(tǒng)。內(nèi)容包括橢圓密碼體制的選擇、有效算法的設(shè)計(jì)和快速加、解密的硬件實(shí)現(xiàn)及雙端口共享器的設(shè)計(jì)。并且詳細(xì)闡述了利用多片數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C50 在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)并行橢圓曲線(xiàn)加、解密系統(tǒng)的方法。

前言

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已成為人們進(jìn)行信息交流的主要手段之一。但由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的固有的弱點(diǎn)——開(kāi)放性，使得傳統(tǒng)的物理措施和人員管理措施難以抵御計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上不斷增加的各種安全侵害，因此密碼技術(shù)在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全方面已被作為關(guān)鍵的手段。雖然目前已有一些加密軟件運(yùn)行在聯(lián)網(wǎng)的微機(jī)上，但它們大多數(shù)都存在加密速度低或安全強(qiáng)度有限的缺點(diǎn)，不能滿(mǎn)足高級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)安全要求。在開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密系統(tǒng)的過(guò)程中，我們以橢圓密碼體制為基礎(chǔ)，利用一系列有效的算法，最終設(shè)計(jì)出了增強(qiáng)微機(jī)加密能力的密碼加密板，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密方面取得了較好的實(shí)踐效果。

一、 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

近年來(lái)，橢圓曲線(xiàn)作為公開(kāi)密碼體制的基礎(chǔ)，已引起了通信保密領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注。利用橢圓曲線(xiàn)進(jìn)行加解密的過(guò)程可以用圖一來(lái)表示。橢圓曲線(xiàn)在通信保密中的具體應(yīng)用體現(xiàn)在各種信息傳輸協(xié)議上，比較常用的有：類(lèi)Diffie-Hellman 密鑰交換規(guī)程和類(lèi)ElGamal 體制，我們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了后者。橢圓曲線(xiàn)加解密流程圖如圖1所示。

圖1 橢圓曲線(xiàn)加解密流程圖

橢圓曲線(xiàn)密碼體制要用到點(diǎn)乘、點(diǎn)加、模乘、模加、模逆、模冪這些基本運(yùn)算，它們的執(zhí)行速度直接決定著橢圓曲線(xiàn)的加密速度。為了提高它們的速度，可從以下幾方面考慮：

①有效算法的設(shè)計(jì)。加解密算法的設(shè)計(jì)是密碼體制具體實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，它為系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，算法的好壞決定了系統(tǒng)的實(shí)用性。

② 快速加解密的實(shí)現(xiàn)。我們?cè)O(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)加密系統(tǒng)采用硬件加密板(主要部件為多片數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C50)作為最終實(shí)現(xiàn)方案，它的優(yōu)點(diǎn)在于利用了算法中大量存在的并行性，提高了系統(tǒng)加解密的速度。

遵循以上原則，我們?cè)谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方面取得了較好的實(shí)踐效果。本文根據(jù)作者的實(shí)際開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，本文主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)加密系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行較為詳細(xì)的論述。

二、基于并行加、解密算法的加密卡的設(shè)計(jì)

在我們研制的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密系統(tǒng)過(guò)程中，硬件結(jié)構(gòu)采用了主從式的共享存儲(chǔ)型多處理機(jī)系統(tǒng)，互連結(jié)構(gòu)采用雙端口存儲(chǔ)器方式，之所用這樣的結(jié)構(gòu)是由于：

① 我們所研制的橢圓曲線(xiàn)加密系統(tǒng)主要用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上微機(jī)的安全。由于微機(jī)的硬件環(huán)境，故采用以微機(jī)為主結(jié)點(diǎn)，以多片并行處理器作為從結(jié)點(diǎn)的主從式多處理機(jī)系統(tǒng)。

② 提供了訪(fǎng)問(wèn)沖突解決電路，并允許外部同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)不同的單元，從而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，并極大地減少了訪(fǎng)問(wèn)沖突的可能性。

由于從結(jié)點(diǎn)的運(yùn)算具有很大的獨(dú)立性，并且其運(yùn)算需要大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，所以各個(gè)從結(jié)點(diǎn)都有自己的局部存儲(chǔ)器。網(wǎng)絡(luò)加密系統(tǒng)的硬件卡體系結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2加密接口板硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在選擇處理結(jié)點(diǎn)時(shí)，我們使用了數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320C50，它的特點(diǎn)是對(duì)密碼運(yùn)算既有針對(duì)性，同時(shí)又易于開(kāi)發(fā)。對(duì)于微機(jī)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)奈募?，其大小一般都至少?00 個(gè)字符以上。也就是說(shuō)，至少有25 個(gè)明文、密文組(本系統(tǒng)中，明密文組的長(zhǎng)度為20 個(gè)字符)。面系統(tǒng)的硬件的并行規(guī)模由于微機(jī)對(duì)電路板大小的限制及插槽個(gè)數(shù)的限制，最大允許10 個(gè)從結(jié)點(diǎn)，即有5 個(gè)加、解密電路板。從而明、密文組這一級(jí)的并行性對(duì)于系統(tǒng)的硬件環(huán)境來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠用了。因此，我們僅采用算法中明、密文組級(jí)的并行性。由于本系統(tǒng)采用雙端口共享存儲(chǔ)互連方式，可以利用共享存儲(chǔ)器來(lái)存放被加載的程序，從而引導(dǎo)方式設(shè)置為16 位并行EPROM，主機(jī)通過(guò)控制端口來(lái)對(duì)TMS320C50 進(jìn)行初始化。

三、網(wǎng)絡(luò)加密的并行處理的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)加密的特點(diǎn)，本文采用了Pentium 4 與兩個(gè)高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C50 組成三機(jī)并行處理系統(tǒng)，如圖2所示。TMS320C50 具有獨(dú)立的內(nèi)存單元，并具有32 位浮點(diǎn)格式，浮點(diǎn)運(yùn)算精度高。兩個(gè)TMS320C50 分別為獨(dú)立的子系統(tǒng)，通過(guò)PC 機(jī)ISA 總線(xiàn)與PC 機(jī)相連。TMS320C50 與主控機(jī)之間的通訊采用共享存儲(chǔ)技術(shù)，用雙端口RAM 作為共享存儲(chǔ)器。

圖3 多處理器并行處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，算法采用靜態(tài)調(diào)度方法，PC 機(jī)作為主控機(jī)。PC 機(jī)執(zhí)行算法并進(jìn)行任務(wù)分配協(xié)調(diào)，A 結(jié)點(diǎn)TMS320C50 執(zhí)行加密，B 結(jié)點(diǎn)TMS320C50 執(zhí)行加密。所有和程序都用C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。PC 機(jī)向TMS320C50發(fā)出復(fù)位命令，程序聯(lián)機(jī)加載。PC 機(jī)將初始數(shù)據(jù)通過(guò)雙端口RAM 傳送到每個(gè)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)與PC 機(jī)并行計(jì)算，獨(dú)立完成自己的計(jì)算任務(wù)后將結(jié)果再傳送回PC 機(jī)，由PC 機(jī)完成最后輸出。由于本系統(tǒng)采用共享存儲(chǔ)互連方式，可以利用共享存儲(chǔ)器來(lái)存放被加載的程序，從而引導(dǎo)方式設(shè)置為16位并行EPROM。我們由主機(jī)通過(guò)控制端口來(lái)對(duì)TMS320C50 進(jìn)行初始(RESET)。主機(jī)啟動(dòng)從結(jié)點(diǎn)的過(guò)程為：

① 通過(guò)控制端口將從結(jié)點(diǎn)的RESET 引腳置低。

② 從主機(jī)將程序代碼裝入雙端口存儲(chǔ)器(此時(shí)由于TMS320C50 不活動(dòng)，故不會(huì)干擾雙端口存儲(chǔ)器數(shù)據(jù))。

③ 在雙端口存儲(chǔ)器中設(shè)置引導(dǎo)程序選擇字及其它引導(dǎo)參數(shù)。

④ 通過(guò)控制端口將從結(jié)點(diǎn)的RESET 引腳置高。

由于從結(jié)點(diǎn)在大數(shù)取模時(shí)使用的是模余數(shù)表的方法，從而需要大容量的局部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，我們采用了32K字的快速RAM，能夠保證TMS320C50 的無(wú)等待訪(fǎng)問(wèn)。由于我們的從結(jié)點(diǎn)程序比較大(超過(guò)8K 字)，故另外又配置了32K 字的局部程序存儲(chǔ)器。