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進(jìn)行傳輸，可能會被同型號電臺獲取，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)。