摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，相關(guān)的安全與保密已成為人們越來越關(guān)注的話題，針對市場需求與目前軟件和硬件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與信息安全的區(qū)別，為了使PC加密卡達(dá)到低成本、高效率的目的，設(shè)計(jì)了一種采用DSP技術(shù)的PC加密卡，通過對該卡原理上的分析，提出了一種運(yùn)用TMS320C54x系列DSP芯片與PCI9054接口芯片共同實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)加密卡的設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)安全；加密算法；DSP；PCI總線

0 引言
    隨著Internet／Intranet的迅速發(fā)展和普及，網(wǎng)絡(luò)帶來的直接和潛在的危險也在逐步增強(qiáng)，就如何確保網(wǎng)絡(luò)信息的安全已成為人們越來越關(guān)注的焦點(diǎn)，個人和企業(yè)對業(yè)務(wù)的安全需求日益迫切，首當(dāng)其沖的是軍隊(duì)信息在網(wǎng)絡(luò)上的失泄密問題已造成的嚴(yán)重后果將直接關(guān)系到國家的安全與穩(wěn)定。所以對各種安全防護(hù)措施與保密技術(shù)的要求越來越高，而密碼技術(shù)作為一項(xiàng)有效解決網(wǎng)絡(luò)安全問題的手段得到了越來越廣泛的應(yīng)用。如果網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒑拖到y(tǒng)信息能夠以加密的方式處理，將在很大程度上提高網(wǎng)絡(luò)和信息的安全。然而，由于個人或一般辦公室使用的都是低成本的PC電腦很難配備價格高昂的加密機(jī)，使用安全軟件來實(shí)現(xiàn)加密和解密，雖然價格實(shí)惠，但對系統(tǒng)性能有極大的影響，也容易被黑客通過技術(shù)手段突破，此外，在安全程度與強(qiáng)度上也足與專門設(shè)計(jì)的硬件加密能力不能相比擬的。所以廣大的網(wǎng)民尤其是經(jīng)常處理涉密事件的單位與個人急需一種低成本、高性能的加密和解密的方案。在本文中，基于TI公司研發(fā)的高性能DSP如果應(yīng)用在PC加密卡中，不失為一種有效的保密方法。
    作為一種有效的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案，加密卡應(yīng)當(dāng)具有的功能如下：
    (1)使用密碼算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，密碼算法應(yīng)當(dāng)多種多樣以便更換、定期升級解決硬件難以變動的缺點(diǎn)，減少用戶投資。
    (2)應(yīng)保護(hù)存儲證書、密鑰以及重要的數(shù)據(jù)，主密鑰及重要的密鑰應(yīng)受到額外的保護(hù)，這種保護(hù)強(qiáng)度應(yīng)超過其他通常的軟件。
    (3)與主機(jī)、外圍設(shè)備和系統(tǒng)軟件有一個良好的接口，使用戶還有研發(fā)升級軟件的空間。
    這些功能決定了PC加密卡的設(shè)計(jì)和目標(biāo)的基本結(jié)構(gòu)。

1 PC加密卡的基本結(jié)構(gòu)
   本文介紹的PC加密卡主要由DSP芯片、計(jì)算機(jī)總線接口(PCI)、板上的FLASH ROM、隨機(jī)數(shù)生成模塊和外部設(shè)備接口等組成。TI全新DSP TM S320C6x系列功能強(qiáng)，速度非?？?，但價格過高，不適合應(yīng)用于一般的加密和解密。中等性能的TMS320C54x系列，成本低，產(chǎn)品成熟，是一個更好的選擇。在本文中的PC加密卡以TMS320C54x DSP為主CPU來實(shí)現(xiàn)加密算法的運(yùn)算，很大程度上減輕了計(jì)算機(jī)CPU的計(jì)算負(fù)擔(dān)，提高整體運(yùn)算速度。又因?yàn)橄盗蠨SP產(chǎn)品具有HPI接口，因此可以很容易地實(shí)現(xiàn)DSP與PCI總線之問的連接。所以該加密卡就需要在PCI總線平臺上開發(fā)實(shí)現(xiàn)。
    為了減少產(chǎn)品的開發(fā)時間和成本，以及獲得更好的數(shù)據(jù)傳輸性能，通常使用通用PCI接口芯片。考慮到TMS320C54x 3．3 V低電壓的運(yùn)行環(huán)境與未來DSP的發(fā)展方向，PLX公司的PCI9054芯片是最好的選擇。其兩者的外圍信號都是3．3 V電壓。
    另外采用FLASH ROM作為外部儲存介質(zhì)，存儲所有的加密算法、主控程序和密鑰管理程序，構(gòu)成與DSP之間的密碼算法運(yùn)算和重要數(shù)據(jù)的存儲平臺。具體使用AMD公司512 KB的29LV040，選擇此規(guī)格的原因：第一符合3．3 V的運(yùn)行環(huán)境；第二除了存儲程序外，依據(jù)容量還可存放數(shù)千個1 024 b的公鑰或密鑰，滿足了更多通信系統(tǒng)安全的需要。圖1是加密卡的基本框圖。

2 PC加密卡的設(shè)計(jì)
    雖然現(xiàn)在PC機(jī)的CPU運(yùn)行速度越來越快，但加密和解密是一個極為復(fù)雜的過程，需要大量的科學(xué)計(jì)算霸占CPU的時間，這樣會使CPU運(yùn)行負(fù)荷，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能下降，其他方面工作的處理能力也會變得極為緩慢。而PC加密卡是一種專為加密和解密設(shè)計(jì)的硬件，配備專業(yè)的DSP信號處理芯片來專一地進(jìn)行加解密的科學(xué)計(jì)算，分擔(dān)了CPU的處理運(yùn)算強(qiáng)度，提高了加解密的速度和PC的性能。C54x系列的DSP芯片目前擁有主頻高達(dá)500 MHz或以上超快速度，計(jì)算能力也可以實(shí)現(xiàn)200 MIPS的水平，并且有望進(jìn)一步提高，使用C54x系列產(chǎn)品的另一個優(yōu)勢是它們采用同一套指令集，這就意味著有很好的軟件兼容性，無需反復(fù)更新。
    加密卡能夠成功實(shí)現(xiàn)就依賴與上述各模塊之間的協(xié)調(diào)工作。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，DSP與FLASH ROM之間構(gòu)成密碼算法運(yùn)算和重要數(shù)據(jù)存儲的平臺，DSP從FLASH ROM中調(diào)入預(yù)先設(shè)定好的加密算法和主控程序，并接收主機(jī)送來的指令和數(shù)據(jù)，由主控程序調(diào)入相應(yīng)的加密算法程序，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或解密處理后，最終的數(shù)據(jù)由主機(jī)通過PCI接口芯片讀出。

3 加密卡的功能描述
    本PC加密卡所實(shí)現(xiàn)的主要功能有：
    數(shù)據(jù)加密解密功能  這是PC加密卡所具有的最基本的功能。加密卡目前封裝了DES，AES等對稱加密算法，RSA等非對稱公鑰算法，以及MD5等Hash算法。DES是使用最廣泛的密鑰系統(tǒng)，特別是用在保護(hù)金融數(shù)據(jù)的安全中，該加密算法具有應(yīng)用廣、速度快的優(yōu)點(diǎn)。AES作為新一代的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，匯聚了強(qiáng)安全性、高性能、高效率、易用和靈活等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。而MD5作為Hash算法，特點(diǎn)在于它是一種單向算法，用戶可以通過Hash算法對目標(biāo)信息生成一段特定長度的惟一的Hash值，卻不能通過這個Hash值重新獲得目標(biāo)信。因此Hash算法常用在不可還原的密碼存儲、信息完整性校驗(yàn)等。
    數(shù)字簽名與認(rèn)證功能  主要利用RSA算法模塊來實(shí)現(xiàn)。它是第一個既能用于數(shù)據(jù)加密也能用于數(shù)字簽名的算法，易于理解和操作，也很流行。RSA是目前最有影響力的公鑰加密算法，能夠抵抗到目前為止已知的所有密碼攻擊，已被ISO推薦為公鑰數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)歷了各種攻擊，至今未被完全攻破。該算法特別適合在商業(yè)和金融業(yè)中的應(yīng)用，為滿足多方面的要求，在卡中實(shí)現(xiàn)了簽名和認(rèn)證功能。
    密鑰管理功能  密鑰是加密與解密的核心，密鑰的產(chǎn)生、保存、分配、修改與刪除必須有一個完善的管理體系。而加密卡中的隨機(jī)數(shù)生成模塊便是完成這項(xiàng)任務(wù)的關(guān)鍵。該模塊可以利用物理噪聲源產(chǎn)生一個真正的隨機(jī)數(shù)，這就保證了一切密鑰都是在加密卡內(nèi)部完成的，并且都是通過加密卡加密后才與外部進(jìn)行交換。外界軟件和系統(tǒng)只能得到其中的公鑰，而無法得到私鑰的任何信息，保證密鑰的安全。
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4 PCI9054簡介
    本文設(shè)計(jì)的PC加密卡，對接口芯片PCI9054的理解，涉及到產(chǎn)品的成敗，下面對PCI9054的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行簡要的介紹。
    PCI9054是美國PLX公司生產(chǎn)的一種功能強(qiáng)、靈活性大，并且符合PCI V2．2規(guī)范的32位33 MHz總線接口控制器，它的出現(xiàn)使原本復(fù)雜化的PIC接口應(yīng)用設(shè)計(jì)變得簡單明了，成為目前使用最廣泛的PCI接口芯片之一，能夠輕松實(shí)現(xiàn)TMS320C54x系列DSP的HPI接口與PCI總線之間的無縫連接。作為PCI目標(biāo)設(shè)備，其傳輸速率最高可達(dá)132 MB／s。圖2顯示了PCI9054的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

    從整體看，PCI9054共提供了三個對外接口：PCI總線接口、LLOCAL總線接口和E2PROM接口。PCI9054可看做是一種“橋接”芯片，完成DSP與PC之間數(shù)據(jù)和信息傳遞。另外，PCI9054具有可選的串行E2PROM接口，用來存放配置信息，完成啟動時9054板卡的“熱插拔”功能。
    PCI9054內(nèi)部有6個FIFO，分別作為三種數(shù)據(jù)傳輸模式的讀／寫數(shù)據(jù)通道，這些FIFO最主要的作用是使LOCAL總線與PCI總線的操作相互獨(dú)立完成，以及使PCI9054擁有零等待突發(fā)傳輸?shù)哪芰?。也是?shí)現(xiàn)PCI9054同步的LOCAL總線與C54x異步的HPI接口之間信號邏輯轉(zhuǎn)換的必備元素。LOCAL總線工作速率最高可達(dá)50MHz。
4．1 PCI9054配置寄存器
    PCI9054有5個內(nèi)部寄存器：PCI配置寄存器、本地配置寄存器、運(yùn)行寄存器、DMA寄存器組、消息隊(duì)列寄存器等，是非常繁瑣和復(fù)雜的。要想成功完成PCI9054的控制，就需要很好地理解與控制一些關(guān)鍵的寄存器。圖3為PCI9O54配置寄存器的信息。
    PCI9054提供了一個256 B支持即插即用功能的兼容PCI標(biāo)準(zhǔn)配置空間。PCI9054的配置寄存器配置的讀取和寫入，通常通過BIOS支持的PCI總線的中斷調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。BIOS中斷調(diào)用，獲取總線和單元號，進(jìn)行配置的讀寫；配置HPI CSR的基址寄存器，以訪問HPICSR的地址；配置控制空間基地址寄存器，配置命令寄存器生產(chǎn)相應(yīng)對的PCI周期。
4．2 PCI9054與DSP之間的傳輸過程
    當(dāng)PCI9054配置成功后，便可通過DSP芯片的HPI接口進(jìn)行PC與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸。步驟如下：首先清除HPI的復(fù)位寄存器，PCI9054解析由PCI總線傳來的新地址匹配控制空間寄存器的值，選取將要通信的DSP芯片。接著主機(jī)發(fā)起HPI控制寄存器的BOB和HWOB位，選擇正確的字節(jié)定位，主機(jī)加載HPI地址寄存器，DSP便完成了一次完整的HPI存儲器的訪問，數(shù)據(jù)被放置在HPI數(shù)據(jù)寄存器里，最后主機(jī)從HPI數(shù)據(jù)寄存器里讀寫數(shù)據(jù)。由此便完成了PC與DSP之間數(shù)據(jù)的傳輸。

5 結(jié)語
    本文介紹了一種新型基于DSP技術(shù)上的PC加密卡沒計(jì)方案及原理，具有成本低、性能高、操作簡便等特點(diǎn)，是抵抗網(wǎng)絡(luò)信息危險與黑客竊密的有力武器，由于其各方面性價比的優(yōu)勢，適用于個人、企業(yè)、軍隊(duì)等廣泛領(lǐng)域，是保證信息安全必不可少的元素，具有廣闊的應(yīng)用前景。