高可靠FPGA通信系統

1 系統設計

　　在工業(yè)控制領(lǐng)域，利用ZigBee和傳感器網(wǎng)絡(luò )，使得數據的自動(dòng)采集、分析和處理變得更加容易，作為決策輔助系統的重要組成部分，ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在無(wú)線(xiàn)數據采集及監控等領(lǐng)域得到了廣泛應用。無(wú)線(xiàn)傳感器數據采集都需通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸至控制中心，在這個(gè)過(guò)程中信息傳輸的安全性逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，設計一種安全可靠的通信解決方案顯得尤為重要。

　　信息安全的解決方案目前主要集中于采取單一的措施來(lái)保證信息的安全性，針對各種攻擊手段，防范措施主要集中于信息加密技術(shù)、安全交換機技術(shù)、防火墻技術(shù)、認證技術(shù)，入侵檢測技術(shù)等，這些技術(shù)從不同的方面對安全性提供了較好的保障，但各有缺點(diǎn)和不足，這將成為網(wǎng)絡(luò )防護的軟肋，因此，本文也嘗試性地提出了一種集數據加密技術(shù)和訪(fǎng)問(wèn)控制策略于一體的信息安全解決方案。

　　1.1 加密算法的分析

　　AES加密算法作為新一代的分組迭代加密算法，其采取對稱(chēng)密鑰，數據塊的分組長(cháng)度和密鑰長(cháng)度分別可選擇128位、192位、256位。AES加密算法具有安全性，靈活性等特點(diǎn)。RSA算法是第一個(gè)能同時(shí)用于加密和數字簽名的算法，也易于理解和操作。但RSA加密算法的缺點(diǎn)主要有：密鑰的產(chǎn)生繁瑣，受到素數產(chǎn)生技術(shù)的限制，因而難以做到一次一密?；煦缂用芩惴ㄒ话阕鳛閿底终Z(yǔ)音信息等的加密，在實(shí)際加密應用過(guò)程中其精度和保密性方面都存在著(zhù)缺陷，因此，不適宜于該系統的加解密算法選擇。

　　1.2 加密算法的抗攻擊能力分析

　　在高級加密算法的選擇過(guò)程中，算法本身的安全性能將是一個(gè)重要的評判依據。因此，我們針對目前已有的各種密碼攻擊手段，分析了AES加密算法的抗攻擊能力等性能指標。

　　強力攻擊是一種常見(jiàn)的攻擊策略，主要包括窮盡密鑰搜索攻擊、字典攻擊、查表攻擊等手段，這些攻擊的復雜度只依賴(lài)于分組長(cháng)度和密鑰長(cháng)度，且它們的復雜程度是隨著(zhù)密鑰長(cháng)度增加成指數增長(cháng)的。對于A(yíng)ES加密算法，密鑰長(cháng)度最小為128位，若每秒鐘能夠完成2個(gè)密鑰的搜索，則要完成AES的密鑰搜索，至少需要時(shí)間大約為149萬(wàn)億年，在時(shí)間上就無(wú)法攻擊AES加密算法，因此，AES加密算法在很長(cháng)一段時(shí)間還將對強力攻擊保持很好的安全性。

　　代數計算攻擊是一種新的分組密碼攻擊方法，在代數計算攻擊中，攻擊者利用密碼的輸入，輸出對來(lái)構造多項式。用簡(jiǎn)單的代數表達式對整個(gè)Rijndael算法進(jìn)行描述,引用表達式如下:

代數計算攻擊的基本思想是用足夠多的明密文對利用拉格朗日插值公式得到密碼算法的一個(gè)近似多項式逼近,因此要想對Rijndael算法進(jìn)行代數計算攻擊等價(jià)于將式(1-1)用多項式來(lái)展開(kāi),而在式(1-1)中要想消去一層子結構,就涉及到構造S - 盒的所有運算,由S - 盒表達式的復雜性可知,想通過(guò)對式(1-1)的多項式展開(kāi)后進(jìn)行攻擊是不可行的。

　　1.3 支撐硬件選擇

　　鑒于A(yíng)ES加密算法的特點(diǎn)以及算法的抗攻擊性能，因此，本文選用其作為加密應用技術(shù)。加密算法可以通過(guò)軟硬件實(shí)現，由于算法本身的靈活性，效率高，用軟件實(shí)現比較簡(jiǎn)單、方便，但同時(shí)也帶來(lái)一些問(wèn)題，使算法的速度、安全性等都在某種程度上受到了影響。AES算法的硬件實(shí)現不僅具有快的速度而且占用的資源也將減少。因此，AES加密算法硬件實(shí)現能夠提供更快的速度和安全性。

　　XILINX作為全球領(lǐng)先的FPGA提供商，其生產(chǎn)的Spartan系列FPGA具有高性?xún)r(jià)比，能夠實(shí)現低成本的嵌入式處理平臺，支持商用串行(SPI)和并行(BPI)Flash 存儲器與平臺 Flash，每秒高達 91 億次的乘累加(MAC)運算，因此采用Spartan系列FPGA作為AES加密算法實(shí)現的硬件載體。因此，基于Spartan-3e平臺能夠很好的構建一個(gè)SOC系統。

　　1.4 支撐硬件選擇

　　本系統主要的目標在于“針對ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，端到端控制過(guò)程中存在的安全隱患和信息邪路問(wèn)題，自主設計了一套基于FPGA平臺的高可靠通信系統”。該系統主要由三部分組成：ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，服務(wù)器端，客戶(hù)端。如圖1.1所示。

　　服務(wù)器端采用XILINX公司的Spartan-3e開(kāi)發(fā)平臺，在該平臺上構建基于MicrBlaze處理器和Xilkernel操作系統的嵌入式系統。當服務(wù)器端收到經(jīng)過(guò)AES加密的請求IP數據包時(shí)，在服務(wù)器端，信息需要經(jīng)過(guò)AES解密處理，根據解密后信息分析并提取請求方的ID信息和IP信息，客戶(hù)端的ID信息是唯一的授權證號。

　　客戶(hù)端同樣采用XILINX公司的Spartan-3e開(kāi)發(fā)平臺，但該系統中只需要定制AES加解密IP、鍵盤(pán)IP、LCD IP并添加EDK中自帶的網(wǎng)絡(luò )控制器IP?？蛻?hù)端作為整個(gè)系統的控制中心，當需要采集信息時(shí)，客戶(hù)端通過(guò)鍵盤(pán)把自己的授權ID信息經(jīng)md5加密后形成自己的加密ID，指令信息和加密ID信息經(jīng)過(guò)AES加密后發(fā)送至服務(wù)器端，當服務(wù)器端響應其請求后，視其身份權限做出相應處理。