1 引言

隨著信息技術和網絡化進程的發展，網絡通信安全問題日益突出。現場可編程門陣列(FPGA)以其自身設計靈活、可靠性高的優點廣泛應用于加密領域。硬件實現的加密算法不占用計算機資源．加密過程完全與外部總線隔離，具有較高的數據保護能力。算法可靈活改變，具有較強的獨立性。加密機由單片機，FPGA和El通信接口組成。FPGA內部算法由VHDL語言編寫。該系統適用于要求數據安全較高的場合，其終端可為計算機，銀行POS機等，提供數據傳輸的安全性和保密性。

2 流加密解密原理及算法

2．1 流加密解密原理

流密碼由密鑰和密碼算法兩部分組成，密鑰一般存儲在加解密設備內部，在數據傳輸前已設置完成。密碼算法在較長時間內是不變的。在同步流密碼中，只要發送端和接收端有相同的密鑰和內部狀態，就能產生相同的密鑰流。

數據傳輸時，加密端和解密端使用同一個初始密鑰，加密時密碼流與明文相異或得到密文，同時每隔一定時間加入同步數據；解密時以同步模式產生的密文與密碼流進行異或得到明文，同步模式采用63位Gold碼。整個加解密過程與發送數據格式如圖1所示。在發送密文中加入初始同步碼，接收端利用Gold碼的三值特性檢測Gold碼實現同步數據。對接收數據流和Gold碼做互相關運算，相關結果滿足Gold碼的三值特性，說明當前數據流是發送端加入的同步Gold碼．標志為密文的起始，然后調用解密算法對后續的密文解密，恢復傳輸的數據。

2．2 A5／1算法原理

A5／1引是GSM移動通信中數據傳輸的流密碼加密算法。A5／1密碼流產生器生成的密碼與明文數據幀的每一位相異或得到密文序列。A5／1算法由3個不同長度的線性反饋移位寄存器R1，R2，R3組成，其長度分別為19，22，23位，其反饋特征方程分別為：x18+x17+x16+x13+1,x22+x21+x20+x7+1。算法的初始密鑰是64位向量。密碼流輸出位為3個移位寄存器的異或輸出。移位寄存器的使能由多數函數控制。Rl的第8位、R2的第10位、R3的第10位為多數函數數據輸入，它們決定3個移位寄存器的移位狀況。在這3個數據位中，如果有兩個或兩個以上的都為0，多數函數值就為0；如果有兩個或兩個以上的都為1，多數函數值就為1。多數函數輸入的3個數據位中與多數函數值相同，相應的移位寄存器就移位。A5／1的硬件實現原理如圖2所示。密碼流的產生分兩個階段．第一階段給寄存器裝人64位初始值；第二階段則根據時鐘節拍和使能控制產生密碼流。

2．3 W7算法原理

W7H算法與A5／1算法在結構原理上有相似之處。W7算法由8個類似于A5／1算法硬件結構模塊并行組成，每一個模塊都包含3個線性反饋移位寄存器和多數函數。不同的是w7算法是128位的初始密鑰，線性反饋移位寄存器的長度圖2 A5／1算法的硬件實現原理和反饋結構都不同于A5／1算法。3個線性反饋移位寄存器長度分別為38、43、47位。8個并行模塊采用同一初始密鑰。但反饋結構和多數函數的輸入位均各不相同。8個模塊的輸出組成8位密碼流，加密效率更高。各線性移位寄存器由固定數據位通過邏輯與產生1位數據，再將該位數據與較高位輸出異或，較后將3個移位寄存器輸出再異或輸出作為本并行塊的密碼位輸出。由于有8個并行塊，較后總的輸出8 bit，即1字節。設計時，每隔8個時鐘周期輸出一次，保證數據速率的一致性。

3 系統硬件設計

該系統硬件設計由單片機，FPGA和El接121等組成，如圖3所示。單片機用于輸入用戶初始密鑰；FPGA負責密鑰流產生以及加解密；E1接口實現數據流的發送和接收，完成HDB3碼和TTL電平之間的轉換，實現通信接口單元和協議數據處理單元之間的全雙工通信。