基于DS28E01的FPGA加密認證系統(tǒng)的設(shè)計

　　唯一識別號及附加數(shù)據(jù)(常數(shù))在內(nèi)的 HASH運算結(jié)果，運算的結(jié)果是 160位的 MAC(消息認證碼)，同時，FPGA內(nèi)部也會同安全存儲器一樣進行包含密鑰、隨機數(shù)、附加數(shù)據(jù)及器件識別號在內(nèi)的 HASH計算并產(chǎn)生一個期望的MAC。然后，在 FPGA內(nèi)會對這兩個 MAC進行比較，如果一樣，則 FPGA認為該電路是“合法”電路，因為它擁有正確的密鑰。此時 FPGA進入正常工作狀態(tài)，開啟/執(zhí)行其配置數(shù)據(jù)中的所有功能，會執(zhí)行所有的功能。如果 FPGA和DS28EO1兩者產(chǎn)生的MAC不匹配，則系統(tǒng)會認為該電路是一個“非法”電路，因為該系統(tǒng)不具有正確的密碼。此時 FPGA進入非正常運行狀態(tài)，只執(zhí)行有限的功能。

3.2、加密認證模塊的程序設(shè)計

　　為了實現(xiàn)加密認證的功能，我們在 FPGA中利用 VHDL語言設(shè)計了 IFF模塊，在 IFF模塊的內(nèi)部是根據(jù)SHA-1算法實現(xiàn)了對輸入密碼的HASH函數(shù)運算以及與DS28E01中產(chǎn)生的MAC的比較功能，IFF模塊的接口定義如圖 2所示：

　　其中，CLKIN是一個大于 20M的時鐘；IFF是認證啟動信號，在 IFF信號上升沿的時候模塊內(nèi)部開始啟動 HSAH運算過程以及密碼比較過程；RESET是復(fù)位信號，高電平有效；IB則是 FPGA通過 1-Wire協(xié)議與 DS28E01通訊的信號；FOE信號是 IFF模塊的輸出線，在IFF內(nèi)部 MAC比較完成后，如果 FPGA認定該電路具有正確的密碼，則會置 FOE信號為低電平，反之如果 FPGA認定該電路不是合法的電路，則會置 FOE信號為高電平，在 FPGA內(nèi)部可以根據(jù)FOE的信號來實現(xiàn)不同的功能。這樣，系統(tǒng)就可以根據(jù)電路是否是被拷貝的來實現(xiàn)不同的功能，防止了設(shè)計被拷貝。

　　在 IFF模塊中，實現(xiàn)了標準的 SHA-1算法，其中算法流程圖見圖3，在 FPGA配置完成之后，在 RESET信號與時鐘信號的控制下，F(xiàn)PGA內(nèi)部就會運行 SHA-1算法產(chǎn)生相應(yīng)的MAC，與由 DS28E01產(chǎn)生的 MAC進行比較，根據(jù)比較結(jié)果將 FOE設(shè)置為不同的狀態(tài)，然后 FPGA就可以根據(jù) FOE的狀態(tài)來判斷是否是合法電路。其中的初始化主要完成消息填充和附加原始消息長度以及在算法中需要的函數(shù)和常數(shù)的定義。

圖 3 SHA-1算法流程圖(Figure 3. SHA-1 algorithm flow)

　　4、設(shè)計總結(jié)

　　在現(xiàn)在電子設(shè)計的成本越來越高的情況下，基于 SRAM的 FPGA由于自身限制，容易使得設(shè)計者的設(shè)計被復(fù)制，從而給設(shè)計者提出了設(shè)計具有加密功能的電子系統(tǒng)，由于 SHA-1 算法引擎的 DS28E01芯片作為加密認證系統(tǒng)的核心芯片，并利用 DS28E01針對 Xilinx公司的 X3CS500E開發(fā)了實際的加密認證系統(tǒng)，并將此系統(tǒng)應(yīng)用于實際的產(chǎn)品中，取得了良好的效果?！　?p>　　本文作者創(chuàng)新點：針對基于 SRAM的 FPGA在配置過程中設(shè)計數(shù)據(jù)容易被克隆的現(xiàn)象，設(shè)計了基于安全存儲器的加密認證系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)的安全性。