摘要：隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，相關的安全與保密已成為人們越來越關注的話題，針對市場需求與目前軟件和硬件實現(xiàn)網(wǎng)絡與信息安全的區(qū)別，為了使PC加密卡達到低成本、高效率的目的，設計了一種采用DSP技術的PC加密卡，通過對該卡原理上的分析，提出了一種運用TMS320C54x系列DSP芯片與PCI9054接口芯片共同實現(xiàn)網(wǎng)絡加密卡的設計方案。
關鍵詞：網(wǎng)絡安全；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)絡帶來的直接和潛在的危險也在逐步增強，就如何確保網(wǎng)絡信息的安全已成為人們越來越關注的焦點，個人和企業(yè)對業(yè)務的安全需求日益迫切，首當其沖的是軍隊信息在網(wǎng)絡上的失泄密問題已造成的嚴重后果將直接關系到國家的安全與穩(wěn)定。所以對各種安全防護措施與保密技術的要求越來越高，而密碼技術作為一項有效解決網(wǎng)絡安全問題的手段得到了越來越廣泛的應用。如果網(wǎng)絡上傳輸?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，使用安全軟件來實現(xiàn)加密和解密，雖然價格實惠，但對系統(tǒng)性能有極大的影響，也容易被黑客通過技術手段突破，此外，在安全程度與強度上也足與專門設計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)絡安全解決方案，加密卡應當具有的功能如下：
(1)使用密碼算法對數(shù)據(jù)進行加密和解密，密碼算法應當多種多樣以便更換、定期升級解決硬件難以變動的缺點，減少用戶投資。
(2)應保護存儲證書、密鑰以及重要的數(shù)據(jù)，主密鑰及重要的密鑰應受到額外的保護，這種保護強度應超過其他通常的軟件。
(3)與主機、外圍設備和系統(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加密卡的設計和目標的基本結構。
1 PC加密卡的基本結構
本文介紹的PC加密卡主要由DSP芯片、計算機總線接口(PCI)、板上的FLASH ROM、隨機數(shù)生成模塊和外部設備接口等組成。TI全新DSP TM S320C6x系列功能強，速度非?？欤珒r格過高，不適合應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來實現(xiàn)加密算法的運算，很大程度上減輕了計算機CPU的計算負擔，提高整體運算速度。又因為系列DSP產(chǎn)品具有HPI接口，因此可以很容易地實現(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?？紤]到TMS320C54x 3．3 V低電壓的運行環(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，存儲所有的加密算法、主控程序和密鑰管理程序，構成與DSP之間的密碼算法運算和重要數(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加密卡的設計
雖然現(xiàn)在PC機的CPU運行速度越來越快，但加密和解密是一個極為復雜的過程，需要大量的科學計算霸占CPU的時間，這樣會使CPU運行負荷，從而導致計算機系統(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計的硬件，配備專業(yè)的DSP信號處理芯片來專一地進行加解密的科學計算，分擔了CPU的處理運算強度，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500 MHz或以上超快速度，計算能力也可以實現(xiàn)200 MIPS的水平，并且有望進一步提高，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，無需反復更新。
加密卡能夠成功實現(xiàn)就依賴與上述各模塊之間的協(xié)調工作。當系統(tǒng)啟動時，DSP與FLASH ROM之間構成密碼算法運算和重要數(shù)據(jù)存儲的平臺，DSP從FLASH ROM中調入預先設定好的加密算法和主控程序，并接收主機送來的指令和數(shù)據(jù)，由主控程序調入相應的加密算法程序，對數(shù)據(jù)進行加密或解密處理后，最終的數(shù)據(jù)由主機通過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)，特別是用在保護金融數(shù)據(jù)的安全中，該加密算法具有應用廣、速度快的優(yōu)點。AES作為新一代的數(shù)據(jù)加密標準，匯聚了強安全性、高性能、高效率、易用和靈活等優(yōu)點，具有良好的應用前景。而MD5作為Hash算法，特點在于它是一種單向算法，用戶可以通過Hash算法對目標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、信息完整性校驗等。
數(shù)字簽名與認證功能 主要利用RSA算法模塊來實現(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)加密標準。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)中的應用，為滿足多方面的要求，在卡中實現(xiàn)了簽名和認證功能。
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。而加密卡中的隨機數(shù)生成模塊便是完成這項任務的關鍵。該模塊可以利用物理噪聲源產(chǎn)生一個真正的隨機數(shù)，這就保證了一切密鑰都是在加密卡內部完成的，并且都是通過加密卡加密后才與外部進行交換。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
本文設計的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的結構和功能進行簡要的介紹。
PCI9054是美國PLX公司生產(chǎn)的一種功能強、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)使原本復雜化的PIC接口應用設計變得簡單明了，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目標設備，其傳輸速率最高可達132 MB／s。圖2顯示了PCI9054的內部結構框圖。
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總線的操作相互獨立完成，以及使PCI9054擁有零等待突發(fā)傳輸?shù)哪芰?。也是實現(xiàn)PCI9054同步的LOCAL總線與C54x異步的HPI接口之間信號邏輯轉換的必備元素。LOCAL總線工作速率最高可達50MHz。
4．1 PCI9054配置寄存器
PCI9054有5個內部寄存器：PCI配置寄存器、本地配置寄存器、運行寄存器、DMA寄存器組、消息隊列寄存器等，是非常繁瑣和復雜的。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標準配置空間。PCI9054的配置寄存器配置的讀取和寫入，通常通過BIOS支持的PCI總線的中斷調用來實現(xiàn)。BIOS中斷調用，獲取總線和單元號，進行配置的讀寫；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)相應對的PCI周期。
4．2 PCI9054與DSP之間的傳輸過程
當PCI9054配置成功后，便可通過DSP芯片的HPI接口進行PC與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸。步驟如下：首先清除HPI的復位寄存器，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 結語
本文介紹了一種新型基于DSP技術上的PC加密卡沒計方案及原理，具有成本低、性能高、操作簡便等特點，是抵抗網(wǎng)絡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)、軍隊等廣泛領域，是保證信息安全必不可少的元素，具有廣闊的應用前景。
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