基于CycloneII和MSP430的網(wǎng)絡(luò )數據加密實(shí)現

　　1 引言

　　隨著(zhù)信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )化進(jìn)程的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )通信安全問(wèn)題日益突出?，F場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)以其自身設計靈活、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)廣泛應用于加密領(lǐng)域。硬件實(shí)現的加密算法不占用計算機資源．加密過(guò)程完全與外部總線(xiàn)隔離，具有較高的數據保護能力。算法可靈活改變，具有較強的獨立性。加密機由單片機，FPGA和El通信接口組成。FPGA內部算法由VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)。該系統適用于要求數據安全較高的場(chǎng)合，其終端可為計算機，銀行POS機等，提供數據傳輸的安全性和保密性。

　　2 流加密解密原理及算法

　　2．1 流加密解密原理

　　流密碼由密鑰和密碼算法兩部分組成，密鑰一般存儲在加解密設備內部，在數據傳輸前已設置完成。密碼算法在較長(cháng)時(shí)間內是不變的。在同步流密碼中，只要發(fā)送端和接收端有相同的密鑰和內部狀態(tài)，就能產(chǎn)生相同的密鑰流。

　　數據傳輸時(shí)，加密端和解密端使用同一個(gè)初始密鑰，加密時(shí)密碼流與明文相異或得到密文，同時(shí)每隔一定時(shí)間加入同步數據；解密時(shí)以同步模式產(chǎn)生的密文與密碼流進(jìn)行異或得到明文，同步模式采用63位Gold碼。整個(gè)加解密過(guò)程與發(fā)送數據格式如圖1所示。在發(fā)送密文中加入初始同步碼，接收端利用Gold碼的三值特性檢測Gold碼實(shí)現同步數據。對接收數據流和Gold碼做互相關(guān)運算，相關(guān)結果滿(mǎn)足Gold碼的三值特性，說(shuō)明當前數據流是發(fā)送端加入的同步Gold碼．標志為密文的起始，然后調用解密算法對后續的密文解密，恢復傳輸的數據。

　　2．2 A5/1算法原理

　　A5／1引是GSM移動(dòng)通信中數據傳輸的流密碼加密算法。A5／1密碼流產(chǎn)生器生成的密碼與明文數據幀的每一位相異或得到密文序列。A5／1算法由3個(gè)不同長(cháng)度的線(xiàn)性反饋移位寄存器R1，R2，R3組成，其長(cháng)度分別為19，22，23位，其反饋特征方程分別為：x18+x17+x16+x13+1,x22+x21+x20+x7+1。算法的初始密鑰是64位向量。密碼流輸出位為3個(gè)移位寄存器的異或輸出。移位寄存器的使能由多數函數控制。Rl的第8位、R2的第10位、R3的第10位為多數函數數據輸入，它們決定3個(gè)移位寄存器的移位狀況。在這3個(gè)數據位中，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的都為0，多數函數值就為0；如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的都為1，多數函數值就為1。多數函數輸入的3個(gè)數據位中與多數函數值相同，相應的移位寄存器就移位。A5／1的硬件實(shí)現原理如圖2所示。密碼流的產(chǎn)生分兩個(gè)階段．第一階段給寄存器裝人64位初始值；第二階段則根據時(shí)鐘節拍和使能控制產(chǎn)生密碼流。

　　2．3 W7算法原理

　　W7H算法與A5／1算法在結構原理上有相似之處。W7算法由8個(gè)類(lèi)似于A(yíng)5／1算法硬件結構模塊并行組成，每一個(gè)模塊都包含3個(gè)線(xiàn)性反饋移位寄存器和多數函數。不同的是w7算法是128位的初始密鑰，線(xiàn)性反饋移位寄存器的長(cháng)度圖2 A5／1算法的硬件實(shí)現原理和反饋結構都不同于A(yíng)5／1算法。3個(gè)線(xiàn)性反饋移位寄存器長(cháng)度分別為38、43、47位。8個(gè)并行模塊采用同一初始密鑰。但反饋結構和多數函數的輸入位均各不相同。8個(gè)模塊的輸出組成8位密碼流，加密效率更高。各線(xiàn)性移位寄存器由固定數據位通過(guò)邏輯與產(chǎn)生1位數據，再將該位數據與最高位輸出異或，最后將3個(gè)移位寄存器輸出再異或輸出作為本并行塊的密碼位輸出。由于有8個(gè)并行塊，最后總的輸出8 bit，即1字節。設計時(shí)，每隔8個(gè)時(shí)鐘周期輸出一次，保證數據速率的一致性。