CN103973432A - 一种基于fpga和usb接口芯片的sm4算法加密设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备，包括USB接口芯片、现场可编程门阵列（FPGA）芯片、以及通过FPGA实现的USB接口控制模块、SM4算法IP核、SM4算法控制模块和片内RAM，该加密设备以FPGA为控制核心，通过VHDL语言设计实现了SM4算法IP核及相关的控制模块，采用USB接口连接到用户的终端，保证用户的重要数据在网络中以密文的方式传输，实现了数据快速运算、安全传输。该发明具有数据加解密速度快、安全性高、使用方便等优点。

Description

一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备
技术领域
本发明涉及信息安全领域，主要用于对网络、金融、电信等系统中重要数据的加密和解密，可满足分组密码应用的安全需求，保障交易的安全。核心是利用了FPGA和USB接口芯片，通过FPGA设计出SM4对称密码算法IP核及相应的控制模块，利用硬件描述语言VHDL设计出高效的状态机控制数据加解密，利用USB接口芯片使得数据的传输过程变的快速。
技术背景
SM4算法是国家密码管理局批准的对称密码算法，主要应用于无线局域网产品。该算法的分组长度为128位，密钥长度为128位。加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构，解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。
传统密码算法的实现是通过在主机上运行加密软件实现的。这种方法除占用主机资源外，运算速度较慢，安全性也较差。而硬件加密是通过专用加密芯片、FPGA芯片或独立的处理芯片等实现密码运算。相对于软件加密，硬件加密具有加密速度快、占用计算机资源少、安全性高等优点。本发明采用基于FPGA和USB接口芯片的硬件设计方式实现了SM4对称密码算法，因此数据处理的速度更快，效率更高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备，主要应用于商用密码环境中的数据加密和解密，保障交易的安全。利用FPGA芯片设计实现SM4算法IP核及相应的控制模块，通过USB接口芯片实现数据的传输。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备，包括USB接口芯片、现场可编程门阵列（FPGA）芯片、以及通过FPGA实现的USB接口控制模块、SM4算法IP核、SM4算法控制模块和片内RAM，
其中，USB接口芯片，实现USB2.0总线协议及与FPGA本地端的交互；
FPGA芯片，作为设备的核心单元，对系统各个模块进行控制和调度；
USB接口控制模块，FPGA的子模块，实现对USB接口芯片的控制；
SM4算法IP核，FPGA的子模块，实现国产SM4对称密码算法；
SM4算法控制模块，FPGA的子模块，实现对SM4算法IP核的控制；
片内RAM，FPGA的子模块，实现对数据的缓存；
该加密设备以FPGA为控制核心，通过VHDL语言设计实现了SM4算法IP核及相关的控制模块，采用USB接口连接到用户的终端，保证用户的重要数据在网络中以密文的方式传输，实现了数据快速运算、安全传输。
所述USB接口芯片，选用南京沁恒电子公司的CH378芯片，该芯片是一种USB接口芯片，支持USB设备方式和USB主机方式，内置了USB通讯协议的基本固件和文件系统管理固件，支持常用的USB存储设备。该加密设备采用了CH378的USB设备方式、内部固件模式和8位并口的设计方式。
所述FPGA芯片，选用美国Altera公司CycloneIII系列的EP3C25F256C8器件，该芯片总引脚数256，其中I/O引脚为156，RAM总量为78KB，逻辑单元（LE）24624个，其硬件资源可以满足设计的要求。FPGA是硬件控制单元，通过VHDL程序设计出各个子模块，实现SM4对称密码算法及相关的控制功能。
所述USB接口控制模块，采用硬件描述语言VHDL设计实现，作用是控制CH378芯片进行数据的传输。该模块的核心是状态机的设计，用于对CH378芯片进行时序控制，对状态的编码采用格雷码的方式，有效的防止了毛刺的产生，使电路稳定。
所述SM4算法IP核，采用硬件描述语言VHDL设计实现，以IP软核的方式固化在FPGA中。该IP核实现了基于分组迭代结构的SM4对称密码算法，该算法采用非线性迭代结构，以字为单位进行加密运算。通过非线性变换、线性变换、合成置换的运算生成加解密用的轮函数。本IP核中的加密算法的轮密钥由加密密钥通过密钥扩展算法生成。该算法的分组长度128位，密钥长度为128位。
所述SM4算法控制模块，采用硬件描述语言VHDL设计实现，作用是控制SM4算法IP核，该模块的核心同样是状态机，根据状态机的状态输出与信号输入的关系，该模块采用Mealy型的状态机，并采用格雷码的编码方式。
所述片内RAM，在FPGA中设计实现，作为数据的缓存，该RAM是纯同步的，其读和写操作都是由时钟沿触发，在RAM块的输入地址、数据和写使能信号都有一级寄存器输入级。
所述片内RAM设计为双端口的模式，上位机和本地端FPGA可以对RAM进行独立的访问，使得设计更加灵活。
本发明的有益效果为：该发明具有数据加解密速度快、安全性高、使用方便等优点。
附图说明
图1为本发明基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备系统控制流程图；
图2为本发明基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备系统架构图。
具体实施方式
下面参照附图，通过具体实施方式对本发明进一步说明：
一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备，包括USB接口芯片、现场可编程门阵列（FPGA）芯片、以及通过FPGA实现的USB接口控制模块、SM4算法IP核、SM4算法控制模块和片内RAM，
其中，USB接口芯片，实现USB2.0总线协议及与FPGA本地端的交互；
FPGA芯片，作为设备的核心单元，对系统各个模块进行控制和调度；
USB接口控制模块，FPGA的子模块，实现对USB接口芯片的控制；
SM4算法IP核，FPGA的子模块，实现国产SM4对称密码算法；
SM4算法控制模块，FPGA的子模块，实现对SM4算法IP核的控制；
片内RAM，FPGA的子模块，实现对数据的缓存；
该加密设备以FPGA为控制核心，通过VHDL语言设计实现了SM4算法IP核及相关的控制模块，采用USB接口连接到用户的终端，保证用户的重要数据在网络中以密文的方式传输，实现了数据快速运算、安全传输。
所述USB接口芯片，选用南京沁恒电子公司的CH378芯片，该芯片是一种USB接口芯片，支持USB设备方式和USB主机方式，内置了USB通讯协议的基本固件和文件系统管理固件，支持常用的USB存储设备。该加密设备采用了CH378的USB设备方式、内部固件模式和8位并口的设计方式。
所述FPGA芯片，选用美国Altera公司CycloneIII系列的EP3C25F256C8器件，该芯片总引脚数256，其中I/O引脚为156，RAM总量为78KB，逻辑单元（LE）24624个，其硬件资源可以满足设计的要求。FPGA是硬件控制单元，通过VHDL程序设计出各个子模块，实现SM4对称密码算法及相关的控制功能。
所述USB接口控制模块，采用硬件描述语言VHDL设计实现，作用是控制CH378芯片进行数据的传输。该模块的核心是状态机的设计，用于对CH378芯片进行时序控制，对状态的编码采用格雷码的方式，有效的防止了毛刺的产生，使电路稳定。
所述SM4算法IP核，采用硬件描述语言VHDL设计实现，以IP软核的方式固化在FPGA中。该IP核实现了基于分组迭代结构的SM4对称密码算法，该算法采用非线性迭代结构，以字为单位进行加密运算。通过非线性变换、线性变换、合成置换的运算生成加解密用的轮函数。本IP核中的加密算法的轮密钥由加密密钥通过密钥扩展算法生成。该算法的分组长度128位，密钥长度为128位。
所述SM4算法控制模块，采用硬件描述语言VHDL设计实现，作用是控制SM4算法IP核，该模块的核心同样是状态机，根据状态机的状态输出与信号输入的关系，该模块采用Mealy型的状态机，并采用格雷码的编码方式。
所述片内RAM，在FPGA中设计实现，作为数据的缓存，该RAM是纯同步的，其读和写操作都是由时钟沿触发，在RAM块的输入地址、数据和写使能信号都有一级寄存器输入级。
所述片内RAM设计为双端口的模式，上位机和本地端FPGA可以对RAM进行独立的访问，使得设计更加灵活。

Claims (8)

1.一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备，其特征在于：包括USB接口芯片、FPGA芯片、以及通过FPGA实现的USB接口控制模块、SM4算法IP核、SM4算法控制模块和片内RAM，
其中，USB接口芯片，实现USB2.0总线协议及与FPGA本地端的交互；
FPGA芯片，作为设备的核心单元，对系统各个模块进行控制和调度；
USB接口控制模块，FPGA的子模块，实现对USB接口芯片的控制；
SM4算法IP核，FPGA的子模块，实现国产SM4对称密码算法；
SM4算法控制模块，FPGA的子模块，实现对SM4算法IP核的控制；
片内RAM，FPGA的子模块，实现对数据的缓存；
该加密设备以FPGA为控制核心，通过VHDL语言设计实现了SM4算法IP核及相关的控制模块，采用USB接口连接到用户的终端。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备，其特征在于：所述USB接口芯片，选用南京沁恒电子公司的CH378芯片，该芯片是一种USB接口芯片，支持USB设备方式和USB主机方式，内置了USB通讯协议的基本固件和文件系统管理固件，支持常用的USB存储设备；该加密设备采用CH378的USB设备方式、内部固件模式和8位并口的设计方式。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备，其特征在于：所述FPGA芯片，选用美国Altera公司CycloneIII系列的EP3C25F256C8器件，该芯片总引脚数256，其中I/O引脚为156，RAM总量为78KB，逻辑单元24624个，其硬件资源可以满足设计的要求；FPGA是硬件控制单元，通过VHDL程序设计出各个子模块，实现SM4对称密码算法及相关的控制功能。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备，其特征在于：所述USB接口控制模块，采用硬件描述语言VHDL设计实现，控制CH378芯片进行数据的传输；该模块的核心是状态机的设计，用于对CH378芯片进行时序控制，对状态的编码采用格雷码的方式。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备，其特征在于：所述SM4算法IP核，采用硬件描述语言VHDL设计实现，以IP软核的方式固化在FPGA中，该IP核实现了基于分组迭代结构的SM4对称密码算法，该算法采用非线性迭代结构，以字为单位进行加密运算，通过非线性变换、线性变换、合成置换的运算生成加解密用的轮函数；本IP核中的加密算法的轮密钥由加密密钥通过密钥扩展算法生成，该算法的分组长度128位，密钥长度为128位。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备，其特征在于：所述SM4算法控制模块，采用硬件描述语言VHDL设计实现，作用是控制SM4算法IP核，该模块的核心同样是状态机，根据状态机的状态输出与信号输入的关系，该模块采用Mealy型的状态机，并采用格雷码的编码方式。
7.根据权利要求1-7任一所述的一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备，其特征在于：所述片内RAM，在FPGA中设计实现，作为数据的缓存，该RAM是纯同步的，其读和写操作都是由时钟沿触发，在RAM块的输入地址、数据和写使能信号都有一级寄存器输入级。
8.根据权利要求7所述的一种基于FPGA和USB接口芯片的SM4算法加密设备，其特征在于：所述片内RAM设计为双端口的模式，上位机和本地端FPGA对RAM进行独立的访问。
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