基于加密USB2.0接口芯片的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

　0 引言

　　USB 總線因其具有高速度、即插即用、功耗低等特點(diǎn)，深受廣大用戶的青睞。但USB 規(guī)范本身并未考慮數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的安全性問(wèn)題，所以它的安全性能低，不適合用來(lái)傳輸安全性 要求較高的信息。本文在研究USB2.0 規(guī)范以及應(yīng)用密碼學(xué)等安全防護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出 一個(gè)基于ASIC 的整體解決方案。目的是用硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)一個(gè)既符合USB2.0 規(guī)范，同 時(shí)又可以將流經(jīng)該接口芯片的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)加密的專用集成電路。最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在 FPGA 上進(jìn)行驗(yàn)證，給出系統(tǒng)在FPGA 上所耗用的資源以及性能參數(shù)，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析。

　　1 相關(guān)知識(shí)

　　1.1 USB 簡(jiǎn)介

　　從USB1.0 版本發(fā)布到2.0 版本，中間經(jīng)歷了多次版本更新。從1998 年7 月的Windows98 開(kāi)始，USB 外圍設(shè)備開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)，同時(shí)也成為最受歡迎的接口.它的優(yōu)點(diǎn)為:容易使用、 傳輸速度快、低價(jià)位、低能耗、高穩(wěn)定性、操作系統(tǒng)支持、外圍設(shè)備的支持、有彈性.缺點(diǎn) 為：缺乏對(duì)數(shù)據(jù)安全性的考慮、缺乏對(duì)舊硬件的支持、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信、速度的限制、距離的 限制、硬件的錯(cuò)誤或故障、協(xié)議的復(fù)雜性、版權(quán)費(fèi)。

　　1.2 AES 簡(jiǎn)介

　　1.2.1 原理及起源

　　AES(Advanced Encryption Standard)是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所于1997 年提出征集 該算法的公告并最終選定了兩個(gè)比利時(shí)研究者Vincent Rijmen 和Joan Daemen 發(fā)明的 Rijndael)算法，并于2001 年正式發(fā)布了AES 標(biāo)準(zhǔn)。

　　1.2.2 AES 工作流程

　　Rijndael 算法本質(zhì)上是一種對(duì)稱分組密碼體制，采用代替/轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，每輪由三層組成： 線性混合層確保多輪之上的高度擴(kuò)散；非線性層由16 個(gè)S 盒并置起到混淆的作用；密鑰加 密層將子密鑰層異或到中間狀態(tài)。Rijndael 是一個(gè)迭代分組密碼，其分組長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度都 是可變的，只是為了滿足AES 的要求才限定處理的分組大小為128 位。而密鑰長(zhǎng)度為128 位、192 位或256 位，相應(yīng)的迭代輪數(shù)Nr 為10 輪、12 輪、14 輪?？梢缘钟鶑?qiáng)大和實(shí)時(shí)的攻擊。

　　2 系統(tǒng)解決方案

　　2.1 系統(tǒng)原理

　　本文主要目的是要設(shè)計(jì)一個(gè)既符合USB2.0 規(guī)范的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，又可以對(duì)接收到的 數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)加密的專用集成電路的設(shè)計(jì)，并將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用FPGA 對(duì)其進(jìn)行功能驗(yàn)證。

　　該系統(tǒng)由兩大模塊組成：USB 模塊和AES 加密模塊。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

　　其中，USB 模塊實(shí)現(xiàn)流經(jīng)數(shù)據(jù)依照USB2.0 規(guī)范進(jìn)行接收和發(fā)送。將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行裝配、 打包處理，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分解，在存儲(chǔ)器接口與優(yōu)先級(jí)判別模塊的處理之后將數(shù) 據(jù)存入外部存儲(chǔ)器 (SSRAM)或通過(guò)WISHBONE 接口電路與外圍設(shè)備進(jìn)行通訊；AES 加密 模塊負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，密鑰封裝在芯片中的存儲(chǔ)器中。