一種基于zynq的小型密碼機(jī)及數(shù)據(jù)加密方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及信息安全技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于ZYNQ的小型密碼機(jī)及數(shù)據(jù)加密方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，整個(gè)世界已經(jīng)進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)的方便快捷、跨越時(shí)空的特性給人類社會(huì)帶來(lái)巨大的改變，影響到社會(huì)的各個(gè)方面。
[0003]人們開(kāi)始利用這一便捷的基礎(chǔ)設(shè)施改變傳統(tǒng)商務(wù)活動(dòng)和辦公模式，進(jìn)行電子商務(wù)、電子政務(wù)、網(wǎng)絡(luò)辦公。當(dāng)前，B2C、B2B等電子商務(wù)活動(dòng)已經(jīng)相當(dāng)普及，電子報(bào)稅、網(wǎng)上審批等電子政務(wù)平臺(tái)建設(shè)發(fā)展得如火如荼，互聯(lián)網(wǎng)成為企事業(yè)單位遠(yuǎn)程辦公的理想平臺(tái)?；ヂ?lián)網(wǎng)終端也從電腦擴(kuò)展到手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備，并有向智能家居設(shè)備擴(kuò)展的趨勢(shì)。
[0004]然而，由于互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的開(kāi)放性，導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)用戶面臨諸多方面的安全威脅:身份認(rèn)證機(jī)制較弱，合法用戶容易被假冒，無(wú)法控制資源的訪問(wèn)；攻擊者可以在線路上竊聽(tīng)數(shù)據(jù)，甚至篡改數(shù)據(jù)后重新發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。另外網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用還面臨拒絕服務(wù)，線路竊聽(tīng)、破壞數(shù)據(jù)完整性、機(jī)密性等方面的攻擊。這些安全問(wèn)題已經(jīng)逐漸成為影響網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。
[0005]為了解決這些問(wèn)題，業(yè)界開(kāi)發(fā)了各種網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，以應(yīng)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)安全威脅。如PKI (公鑰基礎(chǔ)設(shè)施)，數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名，虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)等技術(shù)和產(chǎn)品可以有效的解決遠(yuǎn)程身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)保密問(wèn)題。
[0006]對(duì)于一些關(guān)鍵行業(yè)，國(guó)家是不允許使用國(guó)外產(chǎn)品的。但是國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品，在性能、功能完備性、產(chǎn)品成熟度等方面還有不少差距，使得安全產(chǎn)品的應(yīng)用有諸多不便，其主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:
[0007]—，在高性能產(chǎn)品方面，國(guó)產(chǎn)密碼產(chǎn)品主要為主機(jī)加密服務(wù)器，存在性能相對(duì)較低、價(jià)格高等缺點(diǎn)。以過(guò)去常用的1024位RSA算法為例，美國(guó)的Cavium公司研發(fā)的芯片簽名速度可以達(dá)到每秒200000次，而我國(guó)最快的芯片只有每秒6000次；國(guó)外用于網(wǎng)絡(luò)通信的安全芯片，可以把網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(IPSEC，SSL)和密碼算法結(jié)合在一起，而國(guó)內(nèi)只有單純實(shí)現(xiàn)密碼算法的芯片。
[0008]二，在小型化設(shè)備方面，國(guó)內(nèi)密碼產(chǎn)品主要以智能密碼鑰匙(KEY)為主，性能非常低，僅適合個(gè)人應(yīng)用場(chǎng)合。
[0009]本發(fā)明針對(duì)小型化密碼設(shè)備，提出一種以ZYNQ為核心的小型加密設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于ZYNQ的小型密碼機(jī)及數(shù)據(jù)加密方法。
[0011]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下:
[0012]一種基于ZYNQ的小型密碼機(jī)，包括ZYNQ主處理器、專用處理器和密鑰存儲(chǔ)器，所述ZYNQ主處理器包括ARM處理器和FPGA，所述ARM處理器與FPGA通過(guò)片內(nèi)高速總線連接，所述FPGA與專用處理器通過(guò)總線復(fù)用連接，所述專用處理器與密鑰存儲(chǔ)器連接；所述ARM處理器，其運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)的調(diào)度和管理，用于根據(jù)接收到的業(yè)務(wù)請(qǐng)求包進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，并將經(jīng)運(yùn)算的業(yè)務(wù)請(qǐng)求包發(fā)送給FPGA ;所述FPGA，用于根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求包向?qū)Ｓ锰幚砥鬟M(jìn)行密鑰權(quán)限驗(yàn)證，當(dāng)驗(yàn)證通過(guò)時(shí)通過(guò)預(yù)定加密算法對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，將加密處理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)ARM處理器返回給請(qǐng)求方；所述專用處理器，用于實(shí)現(xiàn)信息密鑰的管理和權(quán)限控制，根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求包進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證；所述密鑰存儲(chǔ)器，用于以密文形式存儲(chǔ)密鑰。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用ZYNQ可編程器件，ARM處理器通過(guò)內(nèi)部高速總線與FPGA間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)成本；同時(shí)由于采用了高速總線互聯(lián)、千兆以太網(wǎng)接口，提升了數(shù)據(jù)傳輸性能；采用FPGA實(shí)現(xiàn)算法運(yùn)算，極大的提高了算法性能，因此系統(tǒng)整體性能也獲得了極大的提升；采用了專用的處理器進(jìn)行密鑰的管理和權(quán)限的控制，使得密鑰不會(huì)在Linux系統(tǒng)中出現(xiàn)，真正做到了物理隔絕，同時(shí)密鑰存儲(chǔ)以密文形式存儲(chǔ)，保護(hù)了密鑰的安全，進(jìn)而保護(hù)了整個(gè)系統(tǒng)的安全。
[0014]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0015]進(jìn)一步，所述ARM處理器當(dāng)收到業(yè)務(wù)請(qǐng)求包時(shí)，運(yùn)行于Linux上的應(yīng)用程序?qū)I(yè)務(wù)請(qǐng)求包進(jìn)行解析，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的命令碼按照約定好的順序進(jìn)行組合，發(fā)送至FPGA，數(shù)據(jù)傳輸完成后向FPGA內(nèi)部寄存器寫入完成標(biāo)識(shí)；ARM處理器在收到FPGA發(fā)送的中斷后讀取FPGA內(nèi)的運(yùn)算結(jié)果，組織數(shù)據(jù)，將結(jié)果返回給請(qǐng)求方。
[0016]進(jìn)一步，所述FPGA其內(nèi)部例化一個(gè)雙口 RAM，第一接口通過(guò)片內(nèi)高速總線與ARM處理器互聯(lián)，第二接口和專用處理器互聯(lián)；當(dāng)邏輯檢測(cè)到內(nèi)部寄存器被ARM處理器寫入完成標(biāo)識(shí)后，發(fā)送中斷給專用處理器，表明FPGA內(nèi)部有待處理數(shù)據(jù)，請(qǐng)求相應(yīng)的權(quán)限進(jìn)行操作，當(dāng)接收到處理器反饋的權(quán)限驗(yàn)證通過(guò)時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的算法進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果寫入到雙口 RAM中，產(chǎn)生中斷通知ARM處理器已經(jīng)完成運(yùn)算。
[0017]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:由于采用了高速總線互聯(lián)提升了數(shù)據(jù)傳輸效率和數(shù)據(jù)傳輸性能。
[0018]進(jìn)一步，所述專用處理器接收到FPGA發(fā)送的中斷后讀取FPGA內(nèi)雙口 RAM的數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的命令碼判斷是否為合法數(shù)據(jù)，是否有權(quán)限進(jìn)行運(yùn)算，如果為合法數(shù)據(jù)且有權(quán)限則通知FPGA啟動(dòng)算法運(yùn)算，否則返回錯(cuò)誤碼。
[0019]進(jìn)一步，上述技術(shù)方案還包括算法專用芯片，所述FPGA的第二接口通過(guò)總線復(fù)用與算法專用芯片和專用處理器互聯(lián)，所述算法專用芯片和專用處理器均可通過(guò)復(fù)用總線對(duì)FPGA的雙口 RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，所述算法專用芯片實(shí)現(xiàn)SMl加密算法，并與FPGA中的加密算法配合對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。
[0020]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:SM1算法采用專用算法芯片，其他算法均采用FPGA實(shí)現(xiàn)，既提高了芯片的利用率，又能簡(jiǎn)化板卡設(shè)計(jì)，降低成本；同時(shí)FPGA通過(guò)總線復(fù)用與算法專用芯片和專用處理器互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了完全雙工的數(shù)據(jù)傳輸模式。
[0021 ] 進(jìn)一步，上述技術(shù)方案還包括外設(shè)模塊，其與ARM處理器和FPGA連接，所述ARM處理器對(duì)外設(shè)模塊進(jìn)行管理，所述外設(shè)模塊包括千兆以太網(wǎng)接口、USB OTG接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、管理串口和存儲(chǔ)設(shè)備，所述外設(shè)模塊的千兆以太網(wǎng)接口用于接收業(yè)務(wù)請(qǐng)求包發(fā)送給RAM處理器，還用于將響應(yīng)數(shù)據(jù)包發(fā)送給請(qǐng)求方。
[0022]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:接口方面，實(shí)現(xiàn)了千兆以太網(wǎng)接口，用于加密網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；集成了 USB OTG接口，既可以連接USB KEY或智能卡，進(jìn)行密鑰的備份恢復(fù)，也可以接駁USB存儲(chǔ)設(shè)備，擴(kuò)展存儲(chǔ)空間；另外還有管理串口、板載存儲(chǔ)設(shè)備等，構(gòu)成功能完備的加密設(shè)備。
[0023]—種數(shù)據(jù)加密方法，包括如下步驟:
[0024]步驟1，ARM處理器運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)的調(diào)度和管理，根據(jù)接收到的業(yè)務(wù)請(qǐng)求包進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，并將經(jīng)運(yùn)算的業(yè)務(wù)請(qǐng)求包發(fā)送給FPGA ；
[0025]步驟2，F(xiàn)PGA根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求包向?qū)Ｓ锰幚砥鬟M(jìn)行密鑰權(quán)限驗(yàn)證，專用處理器根據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求包的內(nèi)容進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)向FPGA反饋驗(yàn)證信息；
[0026]步驟3，F(xiàn)PGA當(dāng)驗(yàn)證通過(guò)時(shí)通過(guò)預(yù)定加密算法對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，ARM處理器將加密處理的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)返回給請(qǐng)求方。
[0027]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0028]進(jìn)一步，所述I的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0029]所述ARM處理器當(dāng)收到業(yè)務(wù)請(qǐng)求包時(shí)，運(yùn)行于Linux上的應(yīng)用程序?qū)I(yè)務(wù)請(qǐng)求包進(jìn)行解析，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的命令碼按照約定好的順序進(jìn)行組合，發(fā)送至FPGA，數(shù)據(jù)傳輸完成后向FPGA內(nèi)部寄存器與入完成標(biāo)識(shí)。
[0030]進(jìn)一步，所述步驟2的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0031]FPGA檢測(cè)到內(nèi)部寄存器被ARM處理器寫入完成標(biāo)識(shí)后，發(fā)送中斷給專用處理器，表明FPGA內(nèi)部有待處理數(shù)據(jù)，請(qǐng)求相應(yīng)的權(quán)限進(jìn)行操作；專用處理器接收到FPGA發(fā)送的中斷后讀取FPGA內(nèi)雙口 RAM的數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的命令碼判斷是否為合法數(shù)據(jù)，是否有權(quán)限進(jìn)行運(yùn)算，如果為合法數(shù)據(jù)且有權(quán)限則通知FPGA啟動(dòng)算法運(yùn)算，否則返回