基于FPGA的信息安全系统设计
系统开发设计：
1.项目名称及主要内容
本项目名称是：基于FPGA的信息安全系统设计。
主要内容为：本模块采用xilinx公司的Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作为核心控制芯片，对采集到底模拟信号进行数字转换后通过3DES算法进行加密、然后通过网络传输，再经过解密算法解密出明文数据。尽管DES已被证实是不安全的算法（主要是密钥太短），但三重DES增加了密钥长度，由56位增加到112或168位，有更高的安全性，而且在新一代因特网安全标准IPSEC协议集中已将DES作为加密标准。利用3DES可以使原系统不作大的改动，所以对3DES的研究仍有很大的现实意义。在此使用了3DES算法，保证了系统功能的完整性与数据传输的安全性。该识别模块可用于国内外卫星通信、网关服务器、机顶盒、视频传输以及其它大量的数据传输业务中，也可和计算机等设备联机使用，满足各个方面的不同需求，因此它的设计具有很广泛的应用前景和市场价值。
2.项目关键技术及设计
系统框图见下图
2.1 A/D、D/A模块
这两个模块功能是完成信号的转换功能，实现模拟信号与数字信号之间的转化。
2.3 数据加密（解密）
将转换好的明文数据存储在事先固化好的RAM1，基于3DES算法模块对明文进行加密，并将密文存储到RAM2中，并通过数据库技术连接到网络，通过网络传播，将传送后的密文数据采集到RAM3中，通过解密算法模块对密文解密存储到RAM4。
算法总体结构：通过一个密钥控制模块为3DES提供三个56位的密钥以及加/解密控制信号。密钥的输入是28位的，所产生的三个56位密钥并不是同一时间提供给3DES的，相互之间有16个时钟的延时，这样可以保证修改密钥后并不影响先前流水线的工作。再加上输入、输出接口就构成了该设计的总体结构，如图5所示。限于图的大小，不影响理解的部分信号没有画出。加/解密的流程是先输入六组28位的密钥，然后就可以发送需要加/解密的数据了，中间可以有间断，如果需要更改密钥，也是先输入改后的密钥，再输入数据，可实时更改，无需等到流水线中最后一组数据加/解密完成。
3 程序代码及仿真
3des部分代码
module des_3(key1, key2, key3, datain, sysclk, en, reset, mode1, mode2, mode3, load, ready, dataout);
input [64:1] key1;
input [64:1] key2;
input [64:1] key3;
input [64:1] datain;
input sysclk;
input en;
input reset;
input mode1;
input mode2;
input mode3;
input load;
output ready;
output [64:1] dataout;
wire flagwire1,flagwire2;
wire[64:1] datastream1,datastream2;
DES jia1(.sysclk(sysclk),.en(en),.reset(reset),.mode(mode1),
.load(load),.key(key1),.datain(datain),.dataout(datastream1),
.ready(),.flag(flagwire1));
DES jie(.sysclk(sysclk),.en(flagwire1),.reset(reset),.mode(mode2),
.load(load),.key(key2),.datain(dataistream1),.dataout(datastream2), .ready(),.flag(flagwire2));
DESjia2(.sysclk(sysclk),.en(flagwire2),.reset(reset),.mode(mode3), .load(load),.key(key3),.datain(datastream2),.dataout(dataout),
.ready(ready),.flag());
Endmodule
控制代码
module control(sysclk, reset, load, en, ready,
ct1,ct2,ct3,ct4,ct5,ct6,ct7,ct8,
ct9,ct10,ct11,ct12,ct13,ct14,ct15,ct16);
input sysclk;
input reset;
input load;
input en;
output ready,ct1,ct2,ct3,ct4,ct5,ct6,ct7,ct8,
ct9,ct10,ct11,ct12,ct13,ct14,ct15,ct16;
wire ready,ct1,ct2,ct3,ct4,ct5,ct6,ct7,ct8,
ct9,ct10,ct11,ct12,ct13,ct14,ct15,ct16;
D d1(sysclk,reset,en,load,ct1);
D d2(sysclk,reset,en,ct1,ct2);
D d3(sysclk,reset,en,ct2,ct3);
D d4(sysclk,reset,en,ct3,ct4);
D d5(sysclk,reset,en,ct4,ct5);
D d6(sysclk,reset,en,ct5,ct6);
D d7(sysclk,reset,en,ct6,ct7);
D d8(sysclk,reset,en,ct7,ct8);
D d9(sysclk,reset,en,ct8,ct9);
D d10(sysclk,reset,en,ct9,ct10);
D d11(sysclk,reset,en,ct10,ct11);
D d12(sysclk,reset,en,ct11,ct12);
D d13(sysclk,reset,en,ct12,ct13);
D d14(sysclk,reset,en,ct13,ct14);
D d15(sysclk,reset,en,ct14,ct15);
D d16(sysclk,reset,en,ct15,ct16);
D d17(sysclk,reset,en,ct16,ready);
endmodule
4 RAM工作方式的选择
“乒乓操作”（pingpong operation）是一个常常应用于数据流控制的处理技巧，典型的乒乓操作方法如图1所示。
乒乓操作的处理流程为：输入数据流通过“输入数据流选择单元”将数据流等时分配到两个数据缓冲区，数据缓冲模块可以为任何存储模块，比较常用的存储单元为双口RAM(DPRAM)、单口RAM(SPRAM)、FIFO等。我们选择单口ram就可以实现其功能。
在第1个缓冲周期：将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块1”；在第2个缓冲周期：通过“输入数据选择单元”的切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块2”，同时将“数据缓冲模块1”缓存的第1个周期数据通过“输出数据选择单元”的选择，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理；
在第3个缓冲周期：通过“输入数据选择单元”的再次切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块1”，同时将“数据缓冲模块2”缓存的第2个周期的数据通过“输出数据选择单元”切换，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理。如此循环。
乒乓操作的最大特点是通过“输入数据选择单元”和“输出数据选择单元”按节拍、相互配合的切换，将经过缓冲的数据流没有停顿地送到“数据流运算处理模块”进行运算与处理。把乒乓操作模块当做一个整体，站在这个模块的两端看数据，输入数据流和输出数据流都是连续不断的，没有任何停顿，因此非常适合对数据流进行流水线式处理。所以乒乓操作常常应用于流水线式算法，完成数据的无缝缓冲与处理。
乒乓操作的第二个优点是可以节约缓冲区空间。比如在WCDMA基带应用中，1个帧是由15个时隙组成的，有时需要将1整帧的数据延时一个时隙后处理，比较直接的办法是将这帧数据缓存起来，然后延时1个时隙进行处理。这时缓冲区的长度是1整帧数据长，假设数据速率是3.84Mbps，1帧长10ms，则此时需要缓冲区长度是38400位。如果采用乒乓操作，只需定义两个能缓冲1个时隙数据的RAM(单口RAM即可)。当向一块RAM写数据的时候，从另一块RAM读数据，然后送到处理单元处理，此时每块RAM的容量仅需2560（=38400/15）位即可，2块RAM加起来也只有5120位的容量。
另外，巧妙运用乒乓操作还可以达到用低速模块处理高速数据流的效果。这里我们选择乒乓操作方式来工作。
2）加密模块中存在一些问题，例如：3DES的代码还不完善，补充之后在仿真是出现不定态：
3）Ram中存在的问题：直接调用Ip核可以简洁地生成我们所需要的ram，但在前仿真时Modelsim SE 总是出现错误。直接按照书上的仿真例子去试验，也仿真不出来，初步推测是软件破译的不全，有些库无法调用所造成。
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