【摘 要】本文根據(jù)作者的實際的開發(fā)過程，提出了一種切實可行的基于計算機網(wǎng)絡的橢圓曲線加密接口系　統(tǒng)。內(nèi)容包括橢圓密碼體制的選擇、有效算法的設計和快速加、解密的硬件實現(xiàn)及雙端口共享器的設計。并且詳細闡述了利用多片數(shù)字信號處理器TMS320C50 在微機上實現(xiàn)并行橢圓曲線加、解密系統(tǒng)的方法。

前言

隨著信息時代的到來，計算機網(wǎng)絡已成為人們進行信息交流的主要手段之一。但由于計算機網(wǎng)絡的固有的弱點——開放性，使得傳統(tǒng)的物理措施和人員管理措施難以抵御計算機網(wǎng)絡上不斷增加的各種安全侵害，因此密碼技術在實現(xiàn)網(wǎng)絡安全方面已被作為關鍵的手段。雖然目前已有一些加密軟件運行在聯(lián)網(wǎng)的微機上，但它們大多數(shù)都存在加密速度低或安全強度有限的缺點，不能滿足高級別的網(wǎng)絡安全要求。在開發(fā)計算機網(wǎng)絡加密系統(tǒng)的過程中，我們以橢圓密碼體制為基礎，利用一系列有效的算法，最終設計出了增強微機加密能力的密碼加密板，在計算機網(wǎng)絡加密方面取得了較好的實踐效果。

一、 計算機網(wǎng)絡加密系統(tǒng)的理論基礎

近年來，橢圓曲線作為公開密碼體制的基礎，已引起了通信保密領域內(nèi)的廣泛關注。利用橢圓曲線進行加解密的過程可以用圖一來表示。橢圓曲線在通信保密中的具體應用體現(xiàn)在各種信息傳輸協(xié)議上，比較常用的有：類Diffie-Hellman 密鑰交換規(guī)程和類ElGamal 體制，我們在系統(tǒng)設計中采用了后者。橢圓曲線加解密流程圖如圖1所示。

圖1 橢圓曲線加解密流程圖

橢圓曲線密碼體制要用到點乘、點加、模乘、模加、模逆、模冪這些基本運算，它們的執(zhí)行速度直接決定著橢圓曲線的加密速度。為了提高它們的速度，可從以下幾方面考慮：

①有效算法的設計。加解密算法的設計是密碼體制具體實現(xiàn)的過程，它為系統(tǒng)軟硬件設計提供了基礎，算法的好壞決定了系統(tǒng)的實用性。

② 快速加解密的實現(xiàn)。我們設計的網(wǎng)絡加密系統(tǒng)采用硬件加密板(主要部件為多片數(shù)字信號處理器TMS320C50)作為最終實現(xiàn)方案，它的優(yōu)點在于利用了算法中大量存在的并行性，提高了系統(tǒng)加解密的速度。

遵循以上原則，我們在計算機網(wǎng)絡加密系統(tǒng)的開發(fā)方面取得了較好的實踐效果。本文根據(jù)作者的實際開發(fā)經(jīng)驗，本文主要對網(wǎng)絡加密系統(tǒng)的硬件設計進行較為詳細的論述。

二、基于并行加、解密算法的加密卡的設計

在我們研制的計算機網(wǎng)絡加密系統(tǒng)過程中，硬件結(jié)構采用了主從式的共享存儲型多處理機系統(tǒng)，互連結(jié)構采用雙端口存儲器方式，之所用這樣的結(jié)構是由于：

① 我們所研制的橢圓曲線加密系統(tǒng)主要用于計算機網(wǎng)絡上微機的安全。由于微機的硬件環(huán)境，故采用以微機為主結(jié)點，以多片并行處理器作為從結(jié)點的主從式多處理機系統(tǒng)。

② 提供了訪問沖突解決電路，并允許外部同時訪問不同的單元，從而簡化了電路設計，并極大地減少了訪問沖突的可能性。

由于從結(jié)點的運算具有很大的獨立性，并且其運算需要大量的數(shù)據(jù)存儲，所以各個從結(jié)點都有自己的局部存儲器。網(wǎng)絡加密系統(tǒng)的硬件卡體系結(jié)構如圖2所示：

圖2加密接口板硬件系統(tǒng)結(jié)構圖

在選擇處理結(jié)點時，我們使用了數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320C50，它的特點是對密碼運算既有針對性，同時又易于開發(fā)。對于微機在網(wǎng)絡上傳輸?shù)奈募浯笮∫话愣贾辽僭?00 個字符以上。也就是說，至少有25 個明文、密文組(本系統(tǒng)中，明密文組的長度為20 個字符)。面系統(tǒng)的硬件的并行規(guī)模由于微機對電路板大小的限制及插槽個數(shù)的限制，最大允許10 個從結(jié)點，即有5 個加、解密電路板。從而明、密文組這一級的并行性對于系統(tǒng)的硬件環(huán)境來說已經(jīng)足夠用了。因此，我們僅采用算法中明、密文組級的并行性。由于本系統(tǒng)采用雙端口共享存儲互連方式，可以利用共享存儲器來存放被加載的程序，從而引導方式設置為16 位并行EPROM，主機通過控制端口來對TMS320C50 進行初始化。

三、網(wǎng)絡加密的并行處理的實現(xiàn)

針對計算機網(wǎng)絡加密的特點，本文采用了Pentium 4 與兩個高速數(shù)字信號處理器TMS320C50 組成三機并行處理系統(tǒng)，如圖2所示。TMS320C50 具有獨立的內(nèi)存單元，并具有32 位浮點格式，浮點運算精度高。兩個TMS320C50 分別為獨立的子系統(tǒng)，通過PC 機ISA 總線與PC 機相連。TMS320C50 與主控機之間的通訊采用共享存儲技術，用雙端口RAM 作為共享存儲器。

圖3 多處理器并行處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)運行時，算法采用靜態(tài)調(diào)度方法，PC 機作為主控機。PC 機執(zhí)行算法并進行任務分配協(xié)調(diào)，A 結(jié)點TMS320C50 執(zhí)行加密，B 結(jié)點TMS320C50 執(zhí)行加密。所有和程序都用C 語言開發(fā)。PC 機向TMS320C50發(fā)出復位命令，程序聯(lián)機加載。PC 機將初始數(shù)據(jù)通過雙端口RAM 傳送到每個子系統(tǒng)。子系統(tǒng)與PC 機并行計算，獨立完成自己的計算任務后將結(jié)果再傳送回PC 機，由PC 機完成最后輸出。由于本系統(tǒng)采用共享存儲互連方式，可以利用共享存儲器來存放被加載的程序，從而引導方式設置為16位并行EPROM。我們由主機通過控制端口來對TMS320C50 進行初始(RESET)。主機啟動從結(jié)點的過程為：

① 通過控制端口將從結(jié)點的RESET 引腳置低。

② 從主機將程序代碼裝入雙端口存儲器(此時由于TMS320C50 不活動，故不會干擾雙端口存儲器數(shù)據(jù))。

③ 在雙端口存儲器中設置引導程序選擇字及其它引導參數(shù)。

④ 通過控制端口將從結(jié)點的RESET 引腳置高。

由于從結(jié)點在大數(shù)取模時使用的是模余數(shù)表的方法，從而需要大容量的局部數(shù)據(jù)存儲器，我們采用了32K字的快速RAM，能夠保證TMS320C50 的無等待訪問。由于我們的從結(jié)點程序比較大(超過8K 字)，故另外又配置了32K 字的局部程序存儲器。[!--empirenews.page--]