基于MEMS強鏈和FPGA的USB移動(dòng)硬盤(pán)數據加解密系統

圖 3 中的全局控制狀態(tài)機負責整個(gè)系統的控制和協(xié)調，它實(shí)時(shí)的監測PIO 寫(xiě)入命令，并在恰當的時(shí)機把IDE 總線(xiàn)控制權切換給加密流水線(xiàn)或解密流水線(xiàn)。當加解密流水線(xiàn)執行完一次 DMA 傳輸命令后，總線(xiàn)控制權會(huì )重新交還給全局控制狀態(tài)機。

　　5. AES 加密模塊的實(shí)現

　　AES 的設計原理可參考文獻[1]，下面只簡(jiǎn)單介紹算法過(guò)程。AES 是一個(gè)迭代的分組密碼， 每一輪迭代稱(chēng)為一個(gè)輪變換，包括一個(gè)混合和三個(gè)代換：

　?。?）字節代換（SubBytes）：利用S 盒對狀態(tài)的每一個(gè)字節進(jìn)行非線(xiàn)性變換。

　?。?）行移位（ShiftRow）：對狀態(tài)的每一行，按不同的位移量進(jìn)行行移位。

　?。?）列混合（MixColumn）：對狀態(tài)中的每一列并行應用列混合，在最后一輪省略該步。

　?。?）擴展密鑰加（AddRoundKey）：與擴展密鑰異或。 加密算法的流程如圖4 所示。

　　相應的，解密算法使用逆序的擴展密鑰，輪變換分別為InvSubByte，InvShiftRow， InvMixColumn，數據流程稍有不同。

　　我們設計的AES 加密運算模塊以128 位為一個(gè)分組，完成一個(gè)分組的運算需要11 個(gè)時(shí)鐘 周期。第1 個(gè)時(shí)鐘周期，密鑰擴展模塊輸出第1 個(gè)擴展密碼，也就是初始密碼本身；同時(shí)初始 變換模塊用這個(gè)擴展密碼對128 位明文作AddRoundKey 操作。

　　第2 個(gè)到第11 個(gè)時(shí)鐘周期，密 鑰擴展模塊依次生成10 個(gè)擴展密碼，同時(shí)，輪變換模塊利用這些擴展密碼對輸入密文作10 個(gè) 輪次的輪變換，其中最后一輪缺少列混合操作，然后輸出最終的密文，結束一個(gè)分組的運算。

　　6. 數據吞吐率分析

　　Ultra DMA 在模式2 下的數據傳輸率為33.33MB/s。由于FPGA 全局時(shí)鐘頻率為100MHz， 所以加解密一個(gè)128 位分組需要110ns。加上數據的輸入和輸出階段各占用一個(gè)時(shí)鐘周期，總共 需要130ns。所以加解密模塊的數據處理速率約為61.54MB/s，完全能夠達到實(shí)時(shí)處理的要求。

　　7. 結束語(yǔ)

　　本文提出了一種安全高效的USB 移動(dòng)硬盤(pán)數據加解密系統。其中，MEMS 強鏈的應用開(kāi)辟 了系統物理認證的新方向；Ultra DMA 協(xié)議接口的FPGA 實(shí)現大大提高了硬盤(pán)讀寫(xiě)的吞吐率，同時(shí)AES 加解模塊的處理速率又能完全滿(mǎn)足Ultra DMA 傳輸帶寬，兩者的有機協(xié)作使得一種高 效的硬件加解密流水線(xiàn)得以實(shí)現。