基于FPGA的AES256光纖加密設(shè)計(jì)案例實(shí)現(xiàn)

概述

近年來(lái)，信息安全應(yīng)用于生活中的各個(gè)領(lǐng)域.在光通信系統(tǒng)中，往往對(duì)速率有著較高的追求。其中對(duì)光模塊，光纖通信中的傳輸算法，傳輸?shù)哪Ｊ揭约肮獠ǘ芜x取有密切關(guān)聯(lián)。傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)在于保證傳輸帶寬和吞吐量而并未考慮到對(duì)信息安全的保護(hù)。隨著對(duì)帶寬，速率等要求日益增加，高速通信已經(jīng)成為基本的要求。光纖通信因其具有低損耗，高抗干擾性，從而廣泛得到應(yīng)用。近幾年由于大量用戶數(shù)據(jù)的泄露，造成了極大的損失，使得信息安全成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前光纖加密的研究多采用量子加密的方法，本人在中科大量子物理實(shí)驗(yàn)室下屬機(jī)構(gòu)問(wèn)天量子實(shí)習(xí)發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)外在實(shí)際工程上存在很多漏洞，無(wú)法做到光纖通信中的絕對(duì)安全，實(shí)現(xiàn)軍用和民用任重道遠(yuǎn)。華為傳輸加密解決方案，采用L1層加密技術(shù)，對(duì)業(yè)務(wù)層透明，采用高強(qiáng)度的美學(xué)256算法，確保各行業(yè)的數(shù)據(jù)安全性。此方案雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是吞吐量小、端口少、速率低。

對(duì)于AES算法的硬件實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者大部分是基于FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)。解放軍理工大學(xué)的呂游等人研究高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)俄歇算法的設(shè)計(jì)原理，并通過(guò)加密部分和密鑰拓展共用S盒以減少資源占用，然后在FPGA上完成加密部分的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，其加密模塊的最大吞吐率可達(dá)到1.326 Gbit/s，消耗1507個(gè)樂(lè)（1 BLM=1 LE=0.5 Slice)。埃及開(kāi)羅德國(guó)大學(xué)的Mazen ei Maraghi，Salma Hesham等人研究速度與面積優(yōu)化的俄歇算法的FPGA實(shí)現(xiàn)，利用循環(huán)迭代的方法減少邏輯資源的消耗，在FPGA芯片Xilinx Virtex 5 XC5VLX 50上實(shí)現(xiàn)，使用了303個(gè)可編程邏輯單元(切片)、加密速度為1.33 Gbit/s...通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外ASE在硬件上實(shí)現(xiàn)的研究現(xiàn)狀，我們想要用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，達(dá)到5 Gbps的傳輸速率，這是完全可行的。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

1.AES加密算法在上的實(shí)現(xiàn)

最常用的數(shù)據(jù)加密方式是軟件加密，即在通用微處理器上編程實(shí)現(xiàn)，但其加密速度普遍不高，算法實(shí)現(xiàn)的效率較低，安全性和可靠性有限，很多時(shí)候不能滿足用戶的需求。因此，需要更加快速，更加安全可靠的加密實(shí)現(xiàn)方式來(lái)滿足人們?cè)谝恍﹫?chǎng)合下的數(shù)據(jù)保密要求。

由于我們傳輸?shù)乃俾蔬_(dá)到5 Gbps、這種GTP高速接口下若使用FPGA+ARM架構(gòu)(如Zynq)、通過(guò)手臂完成加密算法將會(huì)使得我們效率大大降低，因此串行通信實(shí)現(xiàn)俄歇加密算法已經(jīng)不能滿足我們的需求，故我們采用純Pl端FPGA設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)加密算法。FPGA設(shè)計(jì)加密算法具有安全性高，加密速度快，開(kāi)發(fā)周期短，開(kāi)發(fā)成本較低，可重配，可靠性高以及移植性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.AES算法在光纖鏈路上的算法移植

算法移植通常是通過(guò)成熟的庫(kù)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，該串行方式下一個(gè)時(shí)鐘周期只能完成一條指令的實(shí)現(xiàn)，算法移植相對(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)出現(xiàn)異步跨時(shí)鐘域處理高速數(shù)據(jù)等問(wèn)題.我們選擇純Pl端完成算法移植，在一個(gè)時(shí)鐘周期下，既要完成算法的數(shù)據(jù)輸出，也要考慮到此刻光纖鏈路中傳輸狀態(tài)。因此我們的效率雖然大大提升，但對(duì)我們的設(shè)計(jì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)速率匹配，數(shù)據(jù)對(duì)接，緩沖設(shè)計(jì)等問(wèn)題，我們分別進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，分別對(duì)其進(jìn)行仿真和上板測(cè)試。在軟件調(diào)試部分有詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)介紹。證明我們的算法移植是成功的。

3.針對(duì)AES算法在光纖發(fā)送端進(jìn)行特定的幀定制

在算法移植過(guò)程中，我們針對(duì)俄歇算法對(duì)光纖協(xié)議進(jìn)行了幀定制。傳統(tǒng)的幀傳輸是對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸，對(duì)固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)流加上幀頭幀尾進(jìn)行判斷。一旦丟包，整個(gè)幀全部丟棄，造成了極大的浪費(fèi)。

我們對(duì)原始的這種光纖幀協(xié)議進(jìn)行了定制，在原來(lái)每一幀的基礎(chǔ)上，內(nèi)部對(duì)其封裝了四個(gè)子幀，每一個(gè)子幀由128位組成(原因是我們每次加密的數(shù)據(jù)是128位)。對(duì)于每一個(gè)子幀，幀頭為起始的16位數(shù)據(jù)，具有和其他112位數(shù)據(jù)不一樣的脈寬長(zhǎng)度，便于后續(xù)的幀解析。

通過(guò)我們的設(shè)計(jì)，即使傳輸過(guò)程中丟包，只會(huì)影響該當(dāng)次的128位數(shù)據(jù)，且該設(shè)計(jì)給我們幀解析，加密算法的解碼提供了便利的平臺(tái)。

4.接收端對(duì)幀數(shù)據(jù)恢復(fù)

光纖接收端設(shè)計(jì)部分除了會(huì)面臨數(shù)據(jù)流緩沖，高速率通信中異步跨時(shí)鐘域處理等問(wèn)題，還要?jiǎng)冸x原始子幀結(jié)構(gòu)，并且去除光纖本身的幀頭幀尾。除了我們的加密數(shù)據(jù)，奧羅拉協(xié)議本身還會(huì)不定期發(fā)送一些無(wú)效數(shù)據(jù)，我們要對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，并且拼接光纖鏈路中的16位數(shù)據(jù)，封裝成一個(gè)個(gè)的128位加密數(shù)據(jù).這也是我們?cè)O(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。

5.高速通信中時(shí)序約束和信號(hào)完整性分析

對(duì)于GTP高速接口，我們對(duì)其做時(shí)序約束是非常有必要的。除此之外，還要要用專業(yè)的軟件對(duì)光口進(jìn)行測(cè)速，并對(duì)其信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行分析和評(píng)估。

我們使用Seiral I/O分析儀連接到艾伯特核，驗(yàn)證高速串行通道的狀態(tài).從眼圖上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響較小，數(shù)字信號(hào)整體的特征良好，從而判斷出系統(tǒng)具有非常良好的性能。

作品的難點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)部分設(shè)計(jì)，將會(huì)在第四部分(軟件設(shè)計(jì)與流程)中詳細(xì)的闡述。

系統(tǒng)架構(gòu)

1.AES加密算法

俄歇算法屬于對(duì)稱密碼體制中的一種分組密碼，有AES-128、192和256三種密鑰長(zhǎng)度。以AES-256算法為例，算法的分組長(zhǎng)度是256位，密鑰長(zhǎng)度同樣是256位，在分組或密鑰長(zhǎng)度不足256位時(shí)，需按照相應(yīng)的補(bǔ)位規(guī)則補(bǔ)足256位。

在算法中有多輪的重復(fù)的變換稱為輪變換，輪變換有三種類型，分別為初始輪、重復(fù)輪和最終輪.每一輪中又包括：字節(jié)代換、行移位、列混合和子密鑰加幾個(gè)步驟，而最終輪沒(méi)有列混合這一步驟。這幾個(gè)步驟的大致過(guò)程如下，如圖3-1。



圖3-1：俄歇加解密過(guò)程

如圖3-2和圖3-3所示所示為S盒，逆S盒。字節(jié)代換是通過(guò)字節(jié)代換表(S)盒)對(duì)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行非線性代換，行移位是以字節(jié)為單位對(duì)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行有序的循環(huán)移位，列混合是將列混合矩陣與數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行一種矩陣乘法運(yùn)算，子密鑰加是將數(shù)據(jù)矩陣與子密鑰矩陣進(jìn)行按位的異或運(yùn)算，子密鑰按照特定的密鑰擴(kuò)展方法生成。由于屬于對(duì)稱密碼體制，算法的解密即為加密的逆運(yùn)算。



圖3-2：S盒構(gòu)造



圖3-3：逆S盒構(gòu)造

2.AES加密算法在硬件上的優(yōu)化

2.1字節(jié)替換與行位移

在俄歇算法迭代的過(guò)程中第一步就是進(jìn)行字節(jié)替代，它屬于非線性變換.按照它的替換規(guī)則，輸入A對(duì)應(yīng)唯一的輸出B、這中間的運(yùn)算過(guò)程如果用硬件組合邏輯實(shí)現(xiàn)的話，會(huì)浪費(fèi)大量的邏輯資源，而且也需要一定運(yùn)算的時(shí)間。既然輸入和輸出一一對(duì)應(yīng)，輸入為8位字節(jié)，那么輸出最多也就256種情況，而且對(duì)應(yīng)規(guī)則也知道，所以我們可以先用其他軟件，如MATLAB計(jì)算出輸入和輸出的置換表：輸入的低四位對(duì)應(yīng)列地址，高四位對(duì)用行地址的16*16的置換表.這樣通過(guò)輸入的8位二進(jìn)制數(shù)可以快速查找到對(duì)應(yīng)的8位二進(jìn)制數(shù)。相應(yīng)的在解密的過(guò)程中，也可以用置換表的方式完成逆字節(jié)的替換。這種優(yōu)化方法可以減少邏輯資源的消耗，也提高了運(yùn)算速度。

按照AES算法，進(jìn)行完字節(jié)替換后，緊接著是行位移.但是我們可以在進(jìn)行字節(jié)替換時(shí)同時(shí)進(jìn)行行變換，如輸入A矩陣的第3行，即第5、8、10、15字節(jié)，對(duì)應(yīng)輸出新的矩陣B的第8、5、15、10字節(jié)，這樣就可以同時(shí)完成字節(jié)替換和行位移，節(jié)省時(shí)間和資源。

2.2列混淆

完成字節(jié)替換和行位移后進(jìn)行列混淆，列混淆就是通過(guò)輸入矩陣的列重新加權(quán)再組合形成新的輸出矩陣。在這個(gè)計(jì)算過(guò)程中，加法運(yùn)算等價(jià)于異或運(yùn)算，乘法可以進(jìn)行優(yōu)化。乘法運(yùn)算則需要分為兩種情況考慮：如果8位二進(jìn)制數(shù)BIJ最高位為1、與02做乘法運(yùn)算時(shí)，需要先左移一位，然后與00011011進(jìn)行異或運(yùn)算；如果它的最高位為0、與02做乘法運(yùn)算時(shí)，只需要左移一位。而所有的數(shù)都能分解成02不同次冪的和，所以可以做一個(gè)02乘法查找表，這樣任何一個(gè)數(shù)都可以通過(guò)先分解成02的不同冪和，在通過(guò)查找表找到對(duì)應(yīng)的值，這樣就完成了乘法的優(yōu)化。在解密的過(guò)程也是一樣，通過(guò)查找表的方法優(yōu)化乘法。這樣僅用一個(gè)查找表的資源完成了多次組合邏輯運(yùn)算，極大的減少了邏輯資源的消耗。

2.3輪迭代內(nèi)部流水線結(jié)構(gòu)

俄歇算法加密過(guò)程包括10輪迭代，每輪迭代的組合邏輯模塊包括AddRoundkey，SubBytes與漂流，混合柱，密鑰擴(kuò)展。前面在每輪迭代之間引入了流水線，但單次輪迭代內(nèi)部中仍有3個(gè)組合邏輯模塊，為了降低延遲，所以在輪迭代內(nèi)部引入流水線結(jié)構(gòu)提升加密速度。

我們?cè)诩用苓^(guò)程中，加密算法消耗的實(shí)際時(shí)間為68個(gè)時(shí)鐘周期，以100米晶振為例，一次編碼過(guò)程僅消耗680 ns，保證了我們實(shí)際傳輸過(guò)程中在安全保密的基礎(chǔ)上，還能實(shí)現(xiàn)高速率通信。

2.4極光光纖鏈路協(xié)議

西林公司針對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)發(fā)了一種輕量級(jí)的可定制的鏈路層協(xié)議--奧羅拉協(xié)議。協(xié)議內(nèi)部集成了與其相應(yīng)的GTP收發(fā)器，通過(guò)連接多個(gè)GTP可以實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬的拓展，同時(shí)它也可以被上層的自定義協(xié)議或者其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議采用。

奧羅拉協(xié)議描述了用戶數(shù)據(jù)在Aurora 8B/10B通道(頻道)之間的傳輸過(guò)程。一個(gè)Aurora 8B/10B通道(頻道)包含一個(gè)或者多個(gè)鏈路(里)、每個(gè)鏈路都是一個(gè)全雙工的串行通路。Aurora 8B/10B通道上的通信雙方被稱為通道對(duì)(頻道合伙人)，如圖3-4。

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圖3-4：奧羅拉鏈路框架

奧羅拉協(xié)議通用數(shù)據(jù)鏈路速率在480 Mb/s到84.48 Gb/。該協(xié)議具有如此強(qiáng)大的功能，究其原因是其內(nèi)部有一個(gè)專用硬核，這個(gè)硬核專門(mén)用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速傳輸，并且它的傳輸方式可以由用戶根據(jù)實(shí)際需求來(lái)設(shè)置為全雙工或者單工。該硬核主要利用GTP收發(fā)器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

奧羅拉協(xié)議主要對(duì)物理層接口、初始化和錯(cuò)誤處理機(jī)制、數(shù)據(jù)排列、鏈路層以及流程控制作了定義和要求。其中物理層接口講述了電氣特性和時(shí)鐘編碼等；初始化和錯(cuò)誤處理機(jī)制則定義了單通道和多通道兩種情況下，數(shù)據(jù)傳送之前對(duì)通道進(jìn)行初始化的步驟，同時(shí)介紹了在遇到錯(cuò)誤代碼傳輸時(shí)該如何應(yīng)對(duì)處理的機(jī)制。數(shù)據(jù)排列描述了數(shù)據(jù)在通過(guò)一個(gè)通道后，如何在多個(gè)串行鏈路中進(jìn)行傳輸。鏈路層定義了一個(gè)用戶數(shù)據(jù)單元如何開(kāi)始傳送以及如何結(jié)束傳送，同時(shí)還描述了在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中如何暫停數(shù)據(jù)流并插入更高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的過(guò)程.除此之外，鏈路層還提供了當(dāng)出現(xiàn)接收器和發(fā)射器在時(shí)鐘速率上出現(xiàn)差異問(wèn)題時(shí)該如何解決的方案措施。最后，流程控制則是規(guī)定了鏈路層流程控制機(jī)制，以及上層用戶流程控制信息的傳輸機(jī)制。

我們之所以選擇奧羅拉協(xié)議，放棄了PCIe，SRIO 2.0，UDP等協(xié)議，考慮到以下一些因素：奧羅拉協(xié)議除了可以達(dá)到很高傳輸速率外，在鏈路數(shù)目選擇的靈活性，協(xié)議的可定制性上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了上述的協(xié)議。由于我們需要用到奧羅拉協(xié)議傳輸加密數(shù)據(jù)，故冗余信息越少越好，否則對(duì)冗余信息加密將造成很大的帶寬損失.奧羅拉協(xié)議的可定制性主要表現(xiàn)在：

1.可以很方便的使用AXI 4-流進(jìn)行幀傳輸/流傳輸；

2.可附加16位的加擾器/解擾器；

3.可選16位/32位的啟聯(lián)校驗(yàn)；

4.支持熱拔插(熱插拔)等方面。

4.硬件電路設(shè)計(jì)

我們硬件電路設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在SFP+光口與FPGA板卡之間的設(shè)計(jì)。如圖3-5所示。



圖3-5：FPGA與SFP+連接設(shè)計(jì)

首先我們介紹所使用的光模塊。圖3-6所示為我們使用的SFP光口實(shí)物圖與引腳圖。使用的SFP+的光模塊支持8B/10B，也可支持64b/66B的長(zhǎng)波(1310 nm)的單模光纖(SMF)，有效傳輸距離為2M到10公里。事實(shí)上最高可達(dá)到25公里。光口支持SFP-MSA協(xié)議，選用的光模塊支持10 GBase-LR/LW。



圖3-6：SFP+實(shí)物圖與引腳圖 FPGA與SFP+光口的電路的原理圖設(shè)計(jì)如圖3-7所示。



圖3-7：FPGA與SFP+光口連接圖

設(shè)計(jì)演示

艾伯特（綜合誤碼率測(cè)試儀)是西林提供的用于調(diào)試FPGA芯片內(nèi)高速串行接口的工具。它通過(guò)JTAG總線提供了FPGA到Vivado串行I/O分析儀的通道.通過(guò)艾伯特用戶可以定制線速率、參考時(shí)鐘速率、參考時(shí)鐘來(lái)源，總線寬度。它同時(shí)還額外需要一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘可以來(lái)自GTX收發(fā)器或者其它FPGA管腳。

使用艾伯特進(jìn)行GTP通道的驗(yàn)證有以下三個(gè)步驟：

1.生成艾伯特核:根據(jù)硬件高速串行總線的需求來(lái)定制和生成伊伯核。

2.使用上一步的艾伯特核自動(dòng)生成艾伯特參考設(shè)計(jì)并生成鉆頭文件。

3.使用Seiral I/O分析儀連接到艾伯特核，并驗(yàn)證高速串行通道的狀態(tài)。

我們?cè)诰S瓦多中生成該測(cè)試工具，對(duì)SFP+光口實(shí)際發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)速和信號(hào)完整性分析。如圖5-1所示。我們可以在圖的正下方觀察到該鏈路的實(shí)際速率為5 Gbps、速率完全滿足我們的設(shè)計(jì)需求；誤碼率越低，顏色越偏向藍(lán)色(深藍(lán)色)；當(dāng)誤碼率越高，顏色越偏向紅色，眼圖張開(kāi)的大小就代表信號(hào)質(zhì)量的好壞。我們通過(guò)觀察眼圖可以發(fā)現(xiàn)，藍(lán)色區(qū)域很大，且角度張開(kāi)合理。結(jié)合圖5-2，通過(guò)5 Gbps速率的光纖傳輸4.557E10位數(shù)據(jù)后，誤碼率僅為2.195E-11，遠(yuǎn)低于官方規(guī)定的誤碼率1.E-10標(biāo)準(zhǔn)，可以得出結(jié)論:信號(hào)完整性分析良好，信號(hào)質(zhì)量傳輸可靠。



圖5-1：二維眼掃描眼圖

圖5-2：誤碼率結(jié)果圖

同時(shí)我們通過(guò)算法在硬件上的優(yōu)化，可以占用很少的資源到達(dá)所需要求，如圖5-3和圖5-4所示，可以看出很低的資源利用率。



圖5-3：發(fā)送端資源利用率統(tǒng)計(jì)圖



圖5-4：接收端資源利用率統(tǒng)計(jì)圖

審核編輯：劉清