安全通信系统的FPGA实现

图3 AES加解密过程

AES加解密算法通过硬件描述语言来实现，在该系统中采用VHDL语言编写代码。根据AES加解密算法的相似性，很多电路模块可以共用，其占用资源可以尽可能的少。在该系统中采用密钥长度和分组数据块长度都为128bits，输入信息都为字符型的数据，采用对字符加解密，因此，每一个字符都将对应其ASCII值输入。AES加解密实现主要有4个模块：控制模块、AES加解密运算实现模、SBOX模块、密钥操作模块，实现的框图如图3-2图所示。

AES加解密模块的实现经过ISE 综合后占用资源利用情况如表1所示。

表1 AES加解密资源利用表

图4 AES加解密实现框图

·接口模块的实现

服务器端采用Spartan-3e平台扩展了PS2接口、16X2的LCD液晶显示，3个6针的通用扩展接口，这些接口方便了外设的连接和扩展。键盘在该系统中实现了单向通信，扩展接口模块通过平台通用扩展接口J1、J2、J3与外接设备进行信息交互。Spartan-3e平台通过串口DTE和GSM模块进行通信，将相应的信息通过短信的方式发送到指定手机中。

各个接口模块通过EDK添加自定义IP的方式添加到OPB总线中，其中键盘、LCD、串口DTE使用中断。驱动程序在自动生成的驱动程序模板基础上完成各个模块的驱动程序。

·网络安全检测及报警实现

服务器端通过添加EDK中网络控制器IP核，移植LwIP网络协议栈，实现基于SOCKET的网络通信。服务器端收到客户端请求时，对接收到的IP数据包进行解密，对请求的IP数据包进行分析，提取对应的ID信息和IP信息，由于该ID信息是经过md5算法产生的，因此该ID作为授权客户的唯一ID，根据ID信息与授权的ID列表进行比较，若为授权ID，则根据客户请求把相应的信息加密处理后发送至客户端；若为非授权ID，则说明该网络已存在非授权ID用户，此网络已经存在不安全性，则把提取的IP信息通过GSM网络发送至指定接收端手机，达到网络的实时检测和报警功能。

·服务器端软件实现

服务器端构建基于MicroBlaze处理器和Xilkernel操作系统的嵌入式系统，通过扩展PS2键盘，LCD液晶显示屏等设备，实现具有良好的人机交互接口的系统。Xilkernel操作系统支持多线程操作，通过配置一些参数就可以灵活应用。虽然其没有网络系统，但可以通过移植LwIP协议栈就可以实现基于SOCKET的网络通信。

应用程序的设计主要包括系统的初始化、系统对客户端请求的处理、网络安全监测及报警等。系统的初始化主要针对外设的初始化，LCD初始化工作：允许中断函数microblaze_enable_interrupts()，初始化函数LCD INIT_LCD()，PS2 键盘初始化：初始化键盘函数init_kbd()，允许中断函数enable_interrupt()，系统调用xilkernel_main()进入xilkernel，创建socket_thread。初始化lwip，并创建socket_app_thread。该线程主要是针对网络参数设定，通过IP4_ADDR()函数设定ip、网关、子网掩码。

当系统运行时，液晶显示相关信息，当出现等待键盘输入密钥时，输入16个字符密钥，同时对密钥进行密钥确认。系统调用socket()函数创建socket，调用listen()函数开始监听。

一旦接收到用户请求时就创建socket_process_thread线程。在socket_process_thread线程中，提取IP数据包的相关信息，首先检查客户端发送的ID是否在授权ID列表之内，如果ID无误，将从无线模块接收到的数据进行AES加密，发送加密过后的数据给客户端。如果ID有错误，提取其收到IP数据包中的IP，并启用GSM模块，将提得的IP通过短信发送给指定接收端。