基于DSP的PC加密卡设计方案

　　在本文中，基于TI公司研发的高性能DSP如果应用在PC加密卡中，不失为一种有效的保密方法。

　　作为一种有效的网络安全解决方案，加密卡应当具有的功能如下：

　　（1）使用密码算法对数据进行加密和解密，密码算法应当多种多样以便更换、定期升级解决硬件难以变动的缺点，减少用户投资。

　　（2）应保护存储证书、密钥以及重要的数据，主密钥及重要的密钥应受到额外的保护，这种保护强度应超过其他通常的软件。

　　（3）与主机、外围设备和系统软件有一个良好的接口，使用户还有研发升级软件的空间。

　　这些功能决定了PC加密卡的设计和目标的基本结构。

　　1 PC加密卡的基本结构

　　本文介绍的PC加密卡主要由DSP芯片、计算机总线接口（PCI）、板上的FLASH ROM、随机数生成模块和外部设备接口等组成。TI全新DSP TM S320C6x系列功能强，速度非常快，但价格过高，不适合应用于一般的加密和解密。中等性能的TMS320C54x系列，成本低，产品成熟，是一个更好的选择。在本文中的PC加密卡以TMS320C54x DSP为主CPU来实现加密算法的运算，很大程度上减轻了计算机CPU的计算负担，提高整体运算速度。又因为系列DSP产品具有HPI接口，因此可以很容易地实现DSP与PCI总线之问的连接。所以该加密卡就需要在PCI总线平台上开发实现。

　　为了减少产品的开发时间和成本，以及获得更好的数据传输性能，通常使用通用PCI接口芯片。考虑到TMS320C54x 3.3 V低电压的运行环境与未来DSP的发展方向，PLX公司的PCI9054芯片是最好的选择。其两者的外围信号都是3.3 V电压。

　　另外采用FLASH ROM作为外部储存介质，存储所有的加密算法、主控程序和密钥管理程序，构成与DSP之间的密码算法运算和重要数据的存储平台。具体使用AMD公司512 KB的29LV040,选择此规格的原因：第一符合3.3 V的运行环境；第二除了存储程序外，依据容量还可存放数千个1 024 b的公钥或密钥，满足了更多通信系统安全的需要。图1是加密卡的基本框图。 

　　2 PC加密卡的设计

　　虽然现在PC机的CPU运行速度越来越快，但加密和解密是一个极为复杂的过程，需要大量的科学计算霸占CPU的时间，这样会使CPU运行负荷，从而导致计算机系统的性能下降，其他方面工作的处理能力也会变得极为缓慢。而PC加密卡是一种专为加密和解密设计的硬件，配备专业的DSP信号处理芯片来专一地进行加解密的科学计算，分担了CPU的处理运算强度，提高了加解密的速度和PC的性能。C54x系列的DSP芯片目前拥有主频高达500 MHz或以上超快速度，计算能力也可以实现200 MIPS的水平，并且有望进一步提高，使用C54x系列产品的另一个优势是它们采用同一套指令集，这就意味着有很好的软件兼容性，无需反复更新。

　　加密卡能够成功实现就依赖与上述各模块之间的协调工作。当系统启动时，DSP与FLASH ROM之间构成密码算法运算和重要数据存储的平台，DSP从FLASH ROM中调入预先设定好的加密算法和主控程序，并接收主机送来的指令和数据，由主控程序调入相应的加密算法程序，对数据进行加密或解密处理后，最终的数据由主机通过PCI接口芯片读出。

　　3 加密卡的功能描述

　　本PC加密卡所实现的主要功能有：

　　数据加密解密功能 这是PC加密卡所具有的最基本的功能。加密卡目前封装了DES,AES等对称加密算法，RSA等非对称公钥算法，以及MD5等Hash算法。DES是使用最广泛的密钥系统，特别是用在保护金融数据的安全中，该加密算法具有应用广、速度快的优点。AES作为新一代的数据加密标准，汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点，具有良好的应用前景。而MD5作为Hash算法，特点在于它是一种单向算法，用户可以通过Hash算法对目标信息生成一段特定长度的惟一的Hash值，却不能通过这个Hash值重新获得目标信。因此Hash算法常用在不可还原的密码存储、信息完整性校验等。

　　数字签名与认证功能 主要利用RSA算法模块来实现。它是第一个既能用于数据加密也能用于数字签名的算法，易于理解和操作，也很流行。RSA是目前最有影响力的公钥加密算法，能够抵抗到目前为止已知的所有密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。经历了各种攻击，至今未被完全攻破。该算法特别适合在商业和金融业中的应用，为满足多方面的要求，在卡中实现了签名和认证功能。

　　密钥管理功能 密钥是加密与解密的核心，密钥的产生、保存、分配、修改与删除必须有一个完善的管理体系。而加密卡中的随机数生成模块便是完成这项任务的关键。该模块可以利用物理噪声源产生一个真正的随机数，这就保证了一切密钥都是在加密卡内部完成的，并且都是通过加密卡加密后才与外部进行交换。外界软件和系统只能得到其中的公钥，而无法得到私钥的任何信息，保证密钥的安全。