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基于DSP的PC加密卡

摘要:对基于DSP技术的PC加密卡进行了综述,对目前软件和硬件实现网络与信息安全的方法作了比较,并提出了一种采用TMS320C54x和PCI接口芯片实现高速加密卡的设计方案。

    关键词:数字信号处理器DSP 数据安全 PCI总线 可编程器件

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    随着Internet/Intranet的高速发展和普及,如何保证网络上信息的安全逐渐成为人们关注的焦点,个人和普通公司、企业对安全的需求也日益迫切。密码技术作为解决安全问题的有效手段,在各种安全解决方案中得到了越来越广泛地应用。将网络上传输的信息和系统内存储的信息进行加密可以极大地提高网络与信息的安全性。但一般作为个人或低成本办公使用的PC计算机不可能都配备价格高昂的加密机,而使用软件来实现加密解密虽然价格上可以承受,升级也比较方便,但系统性能会因此受到很大影响,此外在安全强度上与经过特殊设计的硬件加密也无法相比,例如应用于安全领域的软件屡屡被黑客通过各种手段攻破,又无很好的对付手段就是证明。因此对需要经常在广域网或Internet上进行大量保密数据通信的用户而言,期待着有一种低成本且性能较高的加解密解决方案。本文阐述的基于TI公司高性能DSP的PC加密卡正是适应这种要求的产品。

    作为网络安全问题一种较好的解决方案,加密卡通常需要具备下列功能:

    ·使用密码算法对数据进行加密解密,密码算法应可更换、升级、克服硬件改动困难的缺点,保护用户投资;

    ·存放密钥、证书及其他必需的数据,主密钥和重要的密钥应受到保护,而且这种保护应该比通常的软件能达到的强度更高;

    ·与主机、外围设备和系统软件有良好接口,方便用户开发相应的高层软件。

    上述要求决定了PC加密卡的设计目标以及基本结构。

1 PC加密卡的基本结构

    PC加密卡主要由主CPU、计算机总线接口、板上RAM/ROM、随机数生成模块和外部设备接口等组成。TI公司新推出的TMS320C6x系列DSP功能强,速度也非常快,但目前价格仍然太高,不适合一般加解密使用。而TMS320C54x系列具有性能适中,价格低廉,产品成熟等特点,是较好的选择。本文所介绍的PC加密卡以TMS320C54x DSP为其主CPU。TMS320C54x系列DSP的部分产品具有HPI接口,设计为容易与ISA总线相连。但基于ISA总线的产品已经处于逐渐落伍的状态,PCI总线是当前和今后一段时间PC适配卡的主要开发平台,因此需要在PCI总线平台上开发加密卡产品。

    使用通用的PCI接口芯片能够减少开发时间和成本,并获得较好的数据传输性能。在众多通用的PCI接口芯片中,AMCC公司的S5920、PLX公司的PCI9050/52等芯片是从ISA到PCI总线平台平滑过渡的最佳选择,这些芯片实现了PCI目标设备的功能,提供了与ISA总线信号兼容或时序相似的本地总线信号。但从DSP和适配卡的发展方向来说,3.3V低电压的信号环境是更主流的选择,因此加密卡采用的是PLX公司的PCI9054与TI公司的TMS320LC(VC)54x的,外围信号都是3.3V电平。图1是整个加密卡的基本结构框图。

2 PC加密卡的设计

    虽然PC机的CPU的速度越来越快,但是在加解密等大量科学计算面前,还是有些力不从心。而且由于加解密要占用CPU大量的时间,在加解密运算时,使计算机系统性能降低,其他工作的处理大大放慢。加密卡由于专为加解密目的设计,采用适用于科学计算的DSP芯片,因此能够减轻CPU的计算负担,提高加解密速度和整个PC的性能。目前C54x系列的DSP芯片主频已高达100MHz以上,运算能力亦能达到200MIPS的水平,并且随着工艺水平的进步,将进一步提高,C54x系列DSP采用同一套指令系统,具有极好的向下兼容特性,推出系列硬件产品可以减少软件开发的成本。

    由于除C541、C542等少数芯片之外,其他C54x系列芯片的标称电压均为3.3V以下。而目前多数PCI接口芯片为5V标称电压(其中PCI9054可工作于双电压,可用于设计通用卡),因此两种芯片之间还需要信号电平的转换芯片,常用的芯片有74LVC4245等双电压驱动芯片、SN74CBTD3384等总线开关。可编程逻辑芯片、Flash ROM及A/D芯片等则均有5V和3.3V的产品,选择范围较广。采用PCI接口芯片而不是使用FPGA、CPLD等芯片来实现部分的PCI接口逻辑,主要是因为PCI接口芯片功能全而强大(例如FIFO速度快、容量大,可支持DMA方式等),而且可以减少设计失误,缩短开发周期,降低总体开发成本。

    考虑到DSP中的片上RAM已经能够满足大部分程序的容量要求,而因为算法可升级,对外部存储器的写入频度较小但不可缺,所以将卡上的RAM和ROM合二为一,采用适合此项功能的闪存(Flash) ROM。选择该类型芯片可以简化设计,具体使用的是AMD公司512KB容量的29F040(5V)或29LV040(3.3V),选取该容量主要依据卡上的算法代码的大小以及所需存放密钥、证书的数量而定,这样Flash ROM除存储程序之外,还可存放数千个1024比特的公钥和同等数量的私钥,可以满足大多数安全通信系统的需要。

3 模块的功能描述

    本PC加密卡所实现的主要功能有:

    ·数据加密解密功能:这是PC加密卡所具有的最基本的功能。PC加密卡目前封装了DES、IDEA、TUC等对称加密算法,以及RSA等公钥算法。DES作为传统的加密算法具有应用广、速度快的优点。IDEA是已公开的可用算法中速度快且安全性强的分组密码算法,具有良好的应用前景。而公钥加密算法RSA则具有较高的安全性和密钥管理方便的特点,通常用来对会话密钥加以保护。

    ·数字签名与认证功能:数字签名在当前的商业和金融业中已经有了广泛的应用,为满足多方面的要求,在卡中实现了签名和认证功能,主要利用RSA算法模块来实现。

    ·密钥管理功能:为维护PC加密卡的正常运行,密钥的产生、保存、分配与管理功能是必不可少的。由于私钥等重要密钥在卡中保存,这一功能由加密卡的配套软件与加密卡本身协同实现。卡上内置的软件设计为可自动生成RSA的一对密钥,外界软件和系统只能得到其中的公钥,而无法得到私钥的任何信息,保证密钥的安全。

    上述功能的实现依赖于加密卡各模块间的协调工作,下面是各主要模块的具体功能描述:

    DSP与Flash ROM构成密码算法运算和重要数据存储的平台。系统启动时,DSP从Flash ROM调入自举和主控程序,接收主机送来的指令和数据,调入相应的算法程序,对数据进行加密或解密处理后,由主机通过PCI接口芯片读出(见图2)。

    在这里可编程逻辑芯片主要实现Flash ROM的读写信号和C54x外部等待状态的生成。因为目前多数Flash ROM的读写速度跟不上DSP芯片的速度,除了DSP芯片的内部等待状态(最多7个DSP时钟周期)之外,还要加上外部等待状态。下面就是一个生成8时钟周期等待状态的模块(不使用MSC#信号),修改Q寄存器的数目和计数器的计数值,可以任意添加或减少等待状态至最佳状态。

    START node istype 'reg_d';

    Q0,Q1,Q2,Q3 node istype 'reg_d';

    COUNT=[Q3,Q2,Q1,Q0];

    START.D=1;

    START.CLK=!OE#!WE;

    START.AR=Q3;

    COUNT:=(COUNT+1)&START#COUNT&!START;

    COUNT.AR=!START*Q3;

    COUNT.CLK=CLK;

    READY=!START;

    PCI接口芯片、串行EEPROM与可编程逻辑芯片构成与主机的接口模块,使主机与DSP之间可以透明的交换指令和数据。另外,PCI接口模块提供了PCI配置功能,支持Windows平台的即插即用,最大程度的方便用户的安装与使用。

    PCI9054同步的Local总线与C54x异步的HPI接口之间需要信号逻辑转换,该功能由可编程逻辑芯片方便地实现。图3是PCI9054与3.3V的LC54x芯片HPI口的连接示意框图,其中的PCI9054工作在32位Local总线,非突发的目标设备读写模式。

    LHOLDA由LHOLD延迟一个Local总线时钟周期得到,并在反相后接到DSP的HCS脚。其他主要信号的基本时序关系见图4。

 



    根据芯片的时序数据,在保证PCI9054的工作时序与LC54x的HPI口的时序满足要求的条件下,Local总线可以工作在40MHz以上。

    随机数生成模块的功能是产生真正意义上的随机数,而不是由软件通常所产生的伪随机数。真随机数在密码技术中的用途有:产生工作密钥和会话密钥,为公钥算法提供生成素数所需的随机数,某些公钥算法和协议(例如密钥交换协议等)直接需要一个或多个随机数参与运算等。模块生成随机数的机理源于大自然中永恒的噪声,将元器件(例如雪崩二极管)所固有的噪声加以放大,再通过A/D芯片采样转换,便得到了真正意义上的随机数。本文设计的PC加密卡该模块使用的器件较少,而且采用的A/D芯片MAX152的转换精度仅为8位,因此成本很低,而所产生的随机数足以满足一般对随机数性能的要求。仅采用D0即LSB作为所生成的随机数,其产生速率亦可达100Kbit/s以上。图5是一个简易而实用的随机数生成电路的示意图。

    总之,本文描述了一种低成本、高性能的数据加解密硬件解决方案——PC加密卡。该卡采用性能价格比较高的DSP芯片实现加密算法的运算,利用PCI接口芯片、可编程逻辑芯片及Flash ROM等优化接口及逻辑设计。典型的分组密码加解密速度达Mbit/s,RSA加解密在数十Kbit/s以上。由于其通用、高速及价廉的特点,具有很好的实际应用前景,尤其适用于构建在广域网或Internet上的中小规模网络各主机间的信息交换与传输。

 

 

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