史上最全经典设计案例：基于AES加密算法的保密通信系统设计，完整软硬件协同方案 两弹一星, 保密信息, 通信技术, 信息安全, 互联网

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背景与意义

在被称为“信息时代”的今天，“信息”的价值越来越受到人们的重视，甚至被视为国家和社会发展的重要资源。互联网技术、通信技术的发展在带给我们获取信息便利的同时，也为一些受限信息、保密信息的泄密提供了机会。因此，发展信息安全技术是目前面临的迫切要求，正如知名安全专家沈昌祥院士呼吁的那样，要像重视“两弹一星”那样去重视信息安全。信息安全是一门综合、交叉学科，它综合了数学、物理、通信和计算机等诸多学科的长期积累的知识和最新发展成果。目前在信息安全领域人们所关注的焦点主要有密码理论与技术、安全协议理论与技术、安全体系结构理论与技术、信息对抗理论与技术、网络安全与安全产品等几方面。

数据加密是信息安全的重要手段，2000年l0月，美国国家标准与技术研究所( NIST )宣布由比利时人Joan Daemen设计的Rijndael算法为先进密码标准算法(AES)。该算法是一种迭代型分组密码，设计简单；与公钥密码算法不同，没有复杂的乘法运算，并行执行度高，加解密速度快，易于实现，灵活性强。可以预见，随着AES取代3重DES成为事实上的标准,该算法必将广泛应用于我国电子商务等领域的互联网数据加密业务，为我国信息安全的发展提供强有力的保障。

用硬件芯片实现加密算法及产生与之相关的密钥是当前的趋势，因为数据封装在芯片中，与当前常用的纯软件加密相比，信息不易被非法读取或更改，有较高的物理安全性。FPGA以其自身所固有的特点——既具有硬件的安全性和高速性又有软件的灵活性和易维护性，已经成为分组密码算法硬件实现的热点研究方向，与以往的主流硬件(如DSP芯片、单片机)实现加密方式相比，具有低成本、高速度、保密性强等优点，与ASIC相比具有设计灵活、成本低、周期短等优点。另一个明显的优点在于：在对时间代价和空间代价的取舍上，基于FPGA实现的加密技术提供了多种实现方案，分别对时间代价和空间代价有不同的偏重，有利于在各种应用环境中进行优化。

系统描述
2.1 系统的总体设计
本系统框图如图2-1所示，信息源来自PC机，待发送数据经AES加密、数据成帧后发送，由信道传输到另一通信终端。接收端将接收到的帧进行数据提取、AES解密并将解密的信息显示在PC机上，从而实现了基于AES加密算法的保密通信。

图2-1   基于AES加密算法的保密通信系统框图

• 系统设计思路

本系统采用了有线和无线两种通信方式来实现基于AES加密算法的保密通信。用硬件描述语言VHDL在FPGA数字逻辑层面上实现AES加解密，通过UART这种有线通信实现PC机与终端、加密终端和解密终端的信息通信。为了系统的可扩展性和构建良好的人机交互界面，设计了通过PS/2键盘输入加密密钥，并将其显示在LCD上。在软核MicroBlaze上，采用C语言可以容易地实现AES加密算法，并且软核支持SPI总线，能够灵活方便地控制射频芯片CC2420，使系统具有信道选择、地址识别、自动CRC校验功能，使系统更加安全、通信误码率更低。再用滑动开关做辅助，实现不同功能模式间的转换。

2.3  系统架构
2.3.1   FPGA硬件实现AES加解密
原理框图如图2-2所示：


图2-2 FPGA硬件实现AES加密算法的有线通信原理框图

数据通信信道都是串口线。加密端通过UART接口从PC机接收数据，当接收够16字节（128bit），或不足时能自动补零成128bit后送给硬件AES加密模块。加密完成后可将密文返显到PC机上，以便观察AES加密对传输信息的影响，同时通过开发板上DTE接口向解密端输出数据。解密端将解密出来的信息显示在PC机上。AES加解密算法所需要的密钥key由键盘输入，并在LCD上显示出来。必须保证两终端key相同才能保证正常通信。