基于SMS4的加密通信可編程片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

摘要 針對面向工業(yè)用、商用以及民用電子設(shè)備加密串行通信需求，通過基于SMS4的加密通信SOPC軟硬件架構(gòu)、SMSd加密通信控制器IP技術(shù)、SMS4加密通信軟件技術(shù)等內(nèi)容的研究，實(shí)現(xiàn)了基于SMS4加密算法的串行通信技術(shù)，并在非128位明文的加密傳輸數(shù)據(jù)控制和基于8位異步模式的128位數(shù)據(jù)串行收發(fā)上效率明顯提升。基于SMS4的加密通信SOPC提高了系統(tǒng)的加密通信功能可定制能力，且使加密通信核心算法自主可控。

關(guān)鍵詞 串行通信;SMS4;加密通信;片上系統(tǒng)

串行通信是商用、民用及工業(yè)控制用電子系統(tǒng)廣泛使用的一種通信方式，多種電子系統(tǒng)通過串行通信接口傳輸敏感數(shù)據(jù)，如無線電通信設(shè)備、IC卡刷卡機(jī)等，為保證數(shù)據(jù)傳輸安全，對串行通信數(shù)據(jù)加密是必要的技術(shù)手段。SOPC技術(shù)是百萬門級大規(guī)模FPGA出現(xiàn)后新興的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)的電子系統(tǒng)具備集成度高、功能可配置、性能可伸縮和資源可重構(gòu)的特點(diǎn)。因此，采用SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)加密通信系統(tǒng)具備良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

分組密碼算法是大量數(shù)據(jù)加密存儲與傳輸?shù)闹饕艽a算法，SMS4算法是我國官方公布的第一個(gè)商用分組對稱密碼算法，為發(fā)展自主可控的信息安全技術(shù)，應(yīng)該將SMS4算法作為串行通信核心密碼算法的重要選擇。由于SMS4算法提出較晚，目前尚未有采用SMS4算法進(jìn)行加密通信SOPC設(shè)計(jì)的成果出現(xiàn)。為使信息安全技術(shù)自主可控，優(yōu)化加密通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的加密通信功能可定制能力，因此有必要開展基于SMS4的加密通信SOPC研究與設(shè)計(jì)。

分組密碼算法具有速度快、易于標(biāo)準(zhǔn)化和便于軟硬件實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，通常是信息網(wǎng)絡(luò)安全中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加解密的核心體制，其在計(jì)算機(jī)通信和信息系統(tǒng)安全領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如國外發(fā)布的DES算法、AES算法、NESSIE算法等。2006年1月，我國國家商用密碼管理辦公室公布了SMS4分組密碼算法標(biāo)準(zhǔn)，用于保護(hù)無線局域網(wǎng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)安全，并被WAPI標(biāo)準(zhǔn)采納作為其中的分組密碼算法。2007年12月，在國家密碼管理局公布的《可信計(jì)算密碼支撐平臺功能與接口規(guī)范》中，SMS4算法被規(guī)定為可信密碼模塊(TCM)中要求實(shí)現(xiàn)的對稱密碼算法。

SMS4是一個(gè)分組對稱密碼算法，分組長度和密鑰長度為128 bit。加密算法與密鑰擴(kuò)展算法均采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)。其中非線性變換所使用的S盒是一個(gè)具有很好密碼學(xué)特性的、由8 bit輸入產(chǎn)生8 bit輸出的置換。但不存在永遠(yuǎn)安全的密碼算法。SMS4設(shè)計(jì)靈活，其中所采用的S盒可靈活地被替換，以應(yīng)對突發(fā)性的安全威脅。

1 基于SMS4的加密通信原理

SMS4密碼算法是一種128位數(shù)據(jù)輸入輸出的加解密算法，輸入數(shù)據(jù)需經(jīng)過32輪的函數(shù)運(yùn)算才能得到輸出結(jié)果，存在較大的首個(gè)數(shù)據(jù)輸出潛伏延遲，而一旦進(jìn)入連續(xù)輸出，通過硬件流水線設(shè)計(jì)可達(dá)到較高的吞吐率。串行通信控制器是一種典型的中低速通信設(shè)備，由于受到串/并轉(zhuǎn)換、波特率除數(shù)分頻、16分頻收發(fā)等設(shè)計(jì)的影響，串行通信速率不可能有較大提升。因此，SMS4算法和串行通信之間存在明顯的吞吐量不匹配問題。

通過研究SMS4密碼算法32輪迭代運(yùn)算、輪密鑰運(yùn)算的運(yùn)算特點(diǎn)，并分析全流水、全循環(huán)、循環(huán)與流水結(jié)合、單引擎、多引擎等硬件運(yùn)算結(jié)構(gòu)，提出合適的運(yùn)算結(jié)構(gòu)作為算法的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，以輪函數(shù)內(nèi)部分級流水、節(jié)拍同步作為進(jìn)一步優(yōu)化的手段，突破面向串行通信的SMS4算法硬件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化技術(shù)，使該算法邏輯占用較少的FPGA內(nèi)部資源，并使其算法的運(yùn)算速度能盡量接近串行通信速率，最終達(dá)到資源占用與運(yùn)

算性能的平衡。該算法硬件實(shí)現(xiàn)的功能組成如圖1所示。

串行通信過程中，最小的數(shù)據(jù)收發(fā)單元為8位數(shù)據(jù)，即1 Byte。對128位SMS4加密運(yùn)算而言，輸入的明文數(shù)據(jù)可能不是128位數(shù)據(jù)，而是1～7 Byte，無法直接完成明文的SMS4加密運(yùn)算。在128位密文發(fā)送過程中，若對應(yīng)明文不是128位的，還需嵌入字節(jié)計(jì)數(shù)值來標(biāo)識有效數(shù)據(jù)長度，而字節(jié)計(jì)數(shù)值和有效數(shù)據(jù)難以區(qū)分。在密文接收與SMS4解密過程中，也存在得到字節(jié)計(jì)數(shù)值與有效明文提取的問題。如圖2所示。數(shù)據(jù)包具備16 Byte的數(shù)據(jù)段和1 Byte的有效字節(jié)計(jì)數(shù)值，通過有效字節(jié)計(jì)數(shù)值識別數(shù)據(jù)段中的有效數(shù)據(jù)，而其他數(shù)據(jù)則為填充數(shù)據(jù)。

通過分析處理器訪問8位通信控制器的特點(diǎn)，采取有效硬件邏輯設(shè)計(jì)延長8位明文連續(xù)寫入等待時(shí)間，盡可能具備128位明文輸入。通過字節(jié)自動(dòng)填充將非128位明文輸入補(bǔ)滿到128位，實(shí)現(xiàn)明文的128位SMS4加密運(yùn)算。將有效數(shù)據(jù)/字節(jié)計(jì)數(shù)值混合編碼，實(shí)現(xiàn)非128位明文對應(yīng)密文的發(fā)送、接收、解密與填充字節(jié)去除。通過以上技術(shù)手段，突破非128位明文的加密傳輸數(shù)據(jù)控制技術(shù)，使處理器始終按8位明文數(shù)據(jù)訪問SMS4加密通信控制器，屏蔽128位加解密過程，具備非128位明文的加密傳輸數(shù)據(jù)控制過程對處理器透明、兼容通用串行傳輸協(xié)議、處理器加密通信負(fù)載小等特點(diǎn)。

一般的串行通信控制器以8位數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，當(dāng)進(jìn)行128位密文傳輸時(shí)，存在數(shù)據(jù)發(fā)送接口、數(shù)據(jù)接收接口、接收線狀態(tài)接口設(shè)計(jì)的位寬不匹配問題。通過設(shè)計(jì)128位寬發(fā)送數(shù)據(jù)FIFO、128位寬接收數(shù)據(jù)FIFO、128位區(qū)間接收線狀態(tài)FIFO，緩沖128位密文數(shù)據(jù)和相應(yīng)的接收線狀態(tài);通過128位/8位收發(fā)匹配邏輯，實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的128位/8位轉(zhuǎn)換、接收數(shù)據(jù)的8位/128位轉(zhuǎn)換、連續(xù)16 Byte的接收線狀態(tài)組合譯碼;通過以上技術(shù)手段，突破基于8位異步模式的128位數(shù)據(jù)串行收發(fā)技術(shù)，使128位密文串行收發(fā)無需軟件干預(yù)，故進(jìn)一步降低了處理器的通信接口處理負(fù)載。

2 基于SMS4的加密通信實(shí)現(xiàn)

2.1 SMS4加密通信控制器IP技術(shù)

SMS4加密通信控制器IP功能組成如圖3所示，分為8位串行收發(fā)功能邏輯、128位收發(fā)邏輯、面向串行通信的SMS4算法邏輯、非128位明文的加密傳輸數(shù)據(jù)控制邏輯和處理器訪問接口邏輯。SMS4加密通信控制器IP對外提供8位數(shù)據(jù)位寬的處理器訪問接口和8位串行收發(fā)數(shù)據(jù)接口，并兼容通用串行傳輸協(xié)議，將128位SMS4密碼運(yùn)算隱藏在IP內(nèi)部。

8位串行收發(fā)功能邏輯提供8位數(shù)據(jù)收發(fā)、接收線狀態(tài)檢測、MODEM線控制與線狀態(tài)檢測功能。128位收發(fā)邏輯使128位SMS4密文和8位串行收發(fā)數(shù)據(jù)之間的傳輸能夠平滑、順暢地進(jìn)行。面向串行通信的SMS4算法邏輯在完成128位SMS4加解密運(yùn)算的同時(shí)，還具備FPGA資源利用少、加解密吞吐量與串行通信吞吐量匹配的特點(diǎn)。非128位明文的加密傳輸數(shù)據(jù)控制邏輯重點(diǎn)解決非128位明文的加解密運(yùn)算和串行傳輸問題。處理器訪問接口邏輯為處理器提供8位數(shù)據(jù)位寬的訪問接口，使處理器對SMS4加密通信控制器IP的訪問方式盡可能地接近于一般的8位串行通信控制器。

2.2 加密通信IP核仿真驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)了SMS4加密通信控制器IP核完成加密通信，圖4為SMS4加密通信控制器IP的原理框圖。

采用Altera公司的Quartus II FPGA開發(fā)工具完成SMS4加密通信控制器IP的HDL代碼編譯。

使用ISim仿真器進(jìn)行SMS4加密通信控制器數(shù)據(jù)接收與發(fā)送仿真，得到仿真波形，如圖5和圖6所示。SMS4加密通信控制器IP對加密算法、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)緩沖、接收線狀態(tài)等功能進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊既相對獨(dú)立又有機(jī)組合，可完成各自功能，不同模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號的交換實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制、信息交互，從仿真結(jié)果可看出，SMS4加密通信控制器IP在不影響通信吞吐量的情況下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的SMS4的加解密處理。

如圖5所示，SMS4加密通信控制器IP接收數(shù)據(jù)通過信號wb_cyc_i作為計(jì)數(shù)器，每接收一個(gè)有效數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一次脈沖。we_sel_i表示接收控制器片選信號，在接收期間保持為高;wb_adr_i表示數(shù)據(jù)地址，wb_dat_i則表示接收數(shù)據(jù)值。

如圖6所示，SMS4加密通信控制器IP接收數(shù)據(jù)通過信號wb_cyc_i作為計(jì)數(shù)器，每接收一個(gè)有效數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一次脈沖;we_sel_is表示發(fā)送控制器片選信號，在發(fā)送數(shù)據(jù)期間保持為低。wb_adr_i表示數(shù)據(jù)地址，wb_dat_i表示接收數(shù)據(jù)值。

面向串行通信的SMS4算法邏輯設(shè)計(jì)，并已集成到SMS4加密通信控制器IP中。使用ISim仿真器對SMS4算法邏輯的Verilog代碼進(jìn)行波形仿真，輸入128bit數(shù)據(jù)，進(jìn)行加解密，其仿真波形如圖7所示。

從圖中可看出，SMS4加密IP利用points計(jì)算通信量，圖7的通信量為1 024bit，data_in表示輸入加密數(shù)據(jù)，addr_wr表示加密過程中的地址轉(zhuǎn)換;data表示輸出解密后的密文。

2.3 基于SMS4的加密通信SOPC軟硬件架構(gòu)

基于SMS4的加密通信SOPC軟硬件架構(gòu)如圖8所示，分為SOPC硬件層和SOPC軟件層。SOPC硬件層由電源、復(fù)位、時(shí)鐘、JTAG接口、FPGA、配置器件、存儲器、串行數(shù)據(jù)收發(fā)器等電路組成，其中FPGA是核心器件，內(nèi)部集成了處理器IP、存儲器及橋IP、SMS4加密通信控制器IP等。 SOPC軟件層主要南嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核、SMS4加密通信控制器驅(qū)動(dòng)程序、SMS4加密通信應(yīng)用程序等部分組成。

SOPC硬件功能方面，電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘發(fā)生器為SOPC提供必須的電源供應(yīng)、上電和硬件復(fù)位信號、時(shí)鐘同步信號。JTAG接口電路用于調(diào)試SOPC的硬件邏輯和軟件程序，同時(shí)也用于在線下載FPGA配置文件。FPGA配置器件存儲FPGA靜態(tài)配置，在上電時(shí)自動(dòng)對FPGA進(jìn)行配置;由于FPGA內(nèi)部存儲資源有限，需外擴(kuò)RAM、Flash等片外存儲器。串行數(shù)據(jù)收發(fā)器實(shí)現(xiàn)TTL電氣接口信號與RS-232/422電氣接口信號的轉(zhuǎn)換，使串行數(shù)據(jù)收發(fā)信號能適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸環(huán)境。

SOPC軟件功能方面，嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供基本的存儲管理、設(shè)備管理、中斷管理及任務(wù)調(diào)度等功能。SMS4加密通信控制器驅(qū)動(dòng)程序?qū)MS4加密通信控制器抽象成一個(gè)以文件方式訪問的設(shè)備，供應(yīng)用程序調(diào)用。SMS4加密通信應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)明文數(shù)據(jù)的收發(fā)，由于SMS4加密通信控制器IP可屏蔽密文傳輸過程，應(yīng)用程序中無需進(jìn)行加解密處理。

基于SMS4的加密通信SOPC硬件集成，需軟件集成及性能分析。SMS4加密通信SOPC主要依靠專用串行接口擴(kuò)展模塊的FPGA芯片進(jìn)行硬件集成，圖9為運(yùn)行于Altera公司SOPC Builder開發(fā)環(huán)境的SMS4加密通信SOPC硬件集成界面。如圖所示，SMS4加密通信SOPC集成有NiosII處理器IP、SMS4加密通信控制器IP、SRAM和Flash的存儲器控制IP等IP核，需為各IP核指定Avalon總線互連拓?fù)潢P(guān)系、時(shí)鐘路徑、數(shù)據(jù)訪問空間及中斷路由等。

3 結(jié)束語

面向串行通信優(yōu)化SMS4算法的硬件實(shí)現(xiàn)，通過基于8位異步模式的128位數(shù)據(jù)串行收發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)SMS4加解密和串行通信的深度整合，通過非128位明文的加密傳輸數(shù)據(jù)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)SMS4加解密運(yùn)算與處理器無關(guān)，設(shè)計(jì)的SMS4加密通信控制器IP具備FPGA邏輯資源用量小、加解密與串行通信吞吐量匹配、處理器加密通信處理負(fù)載小等特點(diǎn)。

通過SMS4加密通信控制器IP封裝與IP復(fù)用、硬件抽象層驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)、基于SOPC開發(fā)環(huán)境集成處理器IP及配套IP，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)了基于SMS4的加密通信SOPC，使電子系統(tǒng)的SMS4加密通信功能具備較強(qiáng)的可定制能力。

文中研究了基于硬件實(shí)現(xiàn)加密串行通信功能，防破解能力強(qiáng)、處理器負(fù)載輕，進(jìn)而提高了應(yīng)用系統(tǒng)串行通信的安全性，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。其中，核心算法采用SMS4算法，有力支撐了密碼學(xué)研究成果的本土化，為滿足國內(nèi)信息安全技術(shù)的自主可控需求作出了一定貢獻(xiàn)。另外，文中設(shè)計(jì)的可定制SOPC，也可較好滿足各種應(yīng)用的加密串行通信定制需求。