基于PCI總線加密卡硬件設(shè)計(jì)

PCI加密卡是基于加解密芯片和PCI總線卡技術(shù)實(shí)現(xiàn)的安全保密設(shè)備，為計(jì)算機(jī)提供數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)字簽名、訪問控制等安全功能，可用于計(jì)算機(jī)文件保護(hù)、電子郵件系統(tǒng)安全保密、辦公自動(dòng)化安全保密、數(shù)據(jù)庫保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)加密等。主要用于帶PCI插槽的臺(tái)式PC機(jī)和工作站， 在防火墻、VPN加密機(jī)等方面具有極為廣泛的應(yīng)用前景[1][2]。

PCI加密卡的數(shù)據(jù)加密分為軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)兩種方式，軟件實(shí)現(xiàn)是指在PCI配置嵌入式微處理器或DSP芯片實(shí)現(xiàn)加密算法；硬件實(shí)現(xiàn)是指采用密碼算法芯片實(shí)現(xiàn)加/解密、簽名算法，具有處理速度快，安全性好的特點(diǎn)。在上述硬件實(shí)現(xiàn)中，PCI總線接口可以采用專門的接口芯片，例如PCI9054實(shí)現(xiàn)；也可以采用PCI接口IP核在密碼專用芯片中實(shí)現(xiàn)。本文采用一片Altera的Cyclone 系列FPGA實(shí)現(xiàn)了加解密算法和PCI接口，并為加密卡開發(fā)了WDM驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)計(jì)了一個(gè)能為PC機(jī)提供數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)完整性、訪問控制等安全功能的PCI加密卡。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)PCI加密卡硬件以一片F(xiàn)PGA為中心，配以FPGA配置芯片、時(shí)鐘等模塊構(gòu)成。PCI接口、3DES、MD5算法等全部在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。整個(gè)加密卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)任務(wù)在FPGA內(nèi)部的邏輯功能完成，包括：PCI接口模塊、控制模塊、輸入輸出緩存模塊和數(shù)據(jù)加密模塊。PCI接口模塊由IP軟核實(shí)現(xiàn)，主要功能是控制和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸；控制模塊主要控制PCI接口與數(shù)據(jù)加密模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸；輸入輸出緩存模塊主要用于寄存由PCI接口模塊輸入后等待處理的數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)算后等待輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果；數(shù)據(jù)加密模塊主要包含硬件實(shí)現(xiàn)后的加密算法，用于對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密運(yùn)算。

　　在各個(gè)主要模塊中，密碼運(yùn)算模塊的速度將直接影響到整個(gè)加密系統(tǒng)的工作效率。此外，由于控制模塊的主要功能是控制輸入輸出緩存中的數(shù)據(jù)依次進(jìn)入加密模塊，同時(shí)，根據(jù)加密模塊反饋的狀態(tài)信息發(fā)出相應(yīng)的控制信息，所以，控制模塊的設(shè)計(jì)在整個(gè)加密設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中十分重要。

　　2 PCI接口IP核及其應(yīng)用方法

　　PCI總線接口有兩種設(shè)計(jì)方案，一是采用專門的PCI接口芯片(例如PCI9054或PCI9052)實(shí)現(xiàn)，二是采用PCI接口IP核在密碼專用芯片中實(shí)現(xiàn)[3]。本加密卡采用第二種方案，由VHDL描述的軟核下載到FPGA中實(shí)現(xiàn)。該P(yáng)CI接口IP核符合標(biāo)準(zhǔn)的PCI2.2協(xié)議，支持I/O操作、配置讀、寫操作、總線BUS_MASTER讀、BUS_MASTER寫以及DMA中斷方式和DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。該IP核設(shè)計(jì)主要采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，包括中斷應(yīng)答、突發(fā)讀操作、突發(fā)寫操作、配置讀操作、配置寫操作、I/O讀寫傳輸、存儲(chǔ)器讀寫傳輸7個(gè)狀態(tài)機(jī)組成。其工作流程如圖2所示。收到幀開始信號(hào)(#FRAM信號(hào)為低)后，根據(jù)PCI總線C/BE[3..0]上的命令，分別進(jìn)入7個(gè)狀態(tài)機(jī)中的一個(gè)。操作結(jié)束后，主機(jī)發(fā)出幀結(jié)束信號(hào)(#FRAM為信號(hào)低)，進(jìn)入等待狀態(tài)，進(jìn)入下個(gè)操作。

　　利用該P(yáng)CI接口IP核完成加密卡設(shè)計(jì)，必須先確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式。該P(yáng)CI接口IP核支持兩個(gè)256K字節(jié)的I/O空間；支持一個(gè)4M字節(jié)的PCI內(nèi)存空間。在PCI的數(shù)據(jù)傳輸中，主要依靠I/O讀、I/O寫、存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫等操作完成數(shù)據(jù)傳輸。I/O讀、寫命令用來從一個(gè)映射到I/O地址空間的設(shè)備中讀、寫數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器讀、寫命令用來從一個(gè)映射到存儲(chǔ)器地址空間的設(shè)備讀、寫數(shù)據(jù)。在加密卡初期設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)都被映射到I/O地址空間進(jìn)行操作。系統(tǒng)工作的基本過程如下：數(shù)據(jù)從PC機(jī)進(jìn)入PCI接口模塊，先存入PCI接口模塊中指定的I/O存儲(chǔ)單元中；在控制模塊的控制下，依次進(jìn)入密碼算法模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后輸出到輸出緩存之中，由驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑦\(yùn)算結(jié)果傳輸給應(yīng)用程序。

　　確定了數(shù)據(jù)傳輸方式后，下一步的工作是完成加密算法模塊設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕涌诳刂颇K，按照事先確定的數(shù)據(jù)傳輸方式將其連接到PCI接口模塊。

　　3 密碼算法模塊設(shè)計(jì)

　　密碼算法模塊是整個(gè)加密卡設(shè)計(jì)的核心，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到加密卡的性能和安全性。下面以3DES算法為例，介紹密碼算法模塊的設(shè)計(jì)方法。