內容簡介
《基於硬件邏輯加密的保密通信係統》在傳統密碼學的基礎上主要介紹瞭加密算法及HDL程序實現,重點給齣瞭數據加密核與加密芯片設計,為保證信息的安全傳輸,設計瞭完整的數據加密係統。全書共15章。其中,第1章主要介紹《基於硬件邏輯加密的保密通信係統》研究對象和一些基礎知識。第二章和第三章主要講解基於可編程邏輯分組密碼實現過程。第四章和第五章主要講解基於可編程邏輯公鑰密碼實現過程。後幾章則將分彆介紹不同的相關技術和應用實例。
作者簡介
丁群,女,1957年,現為黑龍江大學電子工程學院教授,博士生導師,同時兼任電子工程學院副院長、黑龍江省高校電子工程重點實驗室主任、黑龍江大學信號與信息處理重點實驗室主任、黑龍江省通信學會理事等職務。
楊自恒,男,1972年,黑龍江大學副教授,長期從事於科研一綫,積纍瞭豐富的工程經驗.程海程海,男,1979年,黑龍江大學講師,從事密碼學研究,及相應的工程,具有豐富的工程經驗。
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目錄
第一章 緒論 15
1.1 通信安全 15
1.2 保密通信係統 16
1.2.1 香農保密通信係統 16
1.2.2 加密係統基本原理 17
1.2.3 加密體製 18
1.3 現場可編程門陣列 19
1.4 VHDL編程 20
1.5 QuartusⅡ仿真軟件 23
1.6 DSP Builder的設計 26
第二章 分組密碼DES 30
2.1 DES算法描述 30
2.2 DES中的初始置換IP與初始逆置換IP-1 33
2.3密碼函數f 33
2.4 輪密鑰的生成過程 37
第三章 基於FPGA的分組密碼AES實現 41
3.1 ASE加密算法 41
3.1.1 AES算法數學知識 41
3.1.2 AES算法描述 44
3.1.3 AES算法一輪迭代 50
3.2 AES算法的FPGA實現 50
3.2.1 開發環境介紹 50
3.2.2 整體結構設計 51
3.2.3 係統分支模塊設計 52
3.2.3.1串口模塊 52
3.2.3.2串並轉換模塊 54
3.2.3.3 控製模塊 55
3.2.3.4 密鑰生成模塊 56
3.2.3.5 加密模塊 58
3.2.4 AES加密係統的片上測試 61
第四章 基於FPGA的RSA公鑰密碼實現 69
4.1 RSA算法數論知識 69
4.1.1 模運算的定義 69
4.1.2 歐幾裏得(Euclidean)算法 70
4.1.3 擴展歐幾裏得(Extended Euclidean)算法 72
4.1.4 模冪算法 73
4.1.5 模乘算法 74
4.1.6 公開密鑰算法的密鑰交換原理 75
4.2 RSA加解密算法理論 76
4.2.1 RSA加解密算法 76
4.2.2 RSA加密算法分析 78
4.2.2.1 p和q取值 78
4.2.2.2 d和e的選擇 79
4.2.2.3加密和解密的算法 79
4.2.3 RSA算法舉例與Matlab仿真 81
4.3 基於FPGA硬件實現RSA算法設計 84
4.3.1 實現RSA公鑰算法的頂層設計 84
4.3.2 實現公鑰 的互素判斷模塊設計 85
4.3.3 實現私鑰 的模塊設計 86
4.3.4 求模冪算法模塊設計 89
第五章 基於FPGA的橢圓麯綫加密算法實現 95
5.1 橢圓麯綫加密算法理論 95
5.1.1 橢圓麯綫相關理論 95
5.1.2 橢圓麯綫群的運算法則 96
5.2 橢圓麯綫加解密原理 98
5.2.1橢圓麯綫離散對數問題 98
5.2.2 係統建立和密鑰生成 98
5.2.3 橢圓麯綫密碼體製加解密過程 99
5.2.4 橢圓麯綫相關參數 100
5.3 密鑰交換協議 100
5.3.1 Diffie-Hellman密鑰交換協議 100
5.3.2 ECDH密鑰交換協議 102
5.4 橢圓麯綫加密有限域運算模塊設計 103
5.4.1有限域加法模塊 104
5.4.2 有限域乘法模塊 106
5.4.3 有限域平方模塊 108
5.4.4有限域求逆模塊 109
5.4.5 有限域運算模塊的驗證 111
5.5 點加和點倍單元設計 113
5.6 點乘單元設計 118
第六章 基於FPGA的序列密碼實現 123
6.1 序列密碼體製 123
6.1.1 序列密碼加密原理 123
6.1.2 序列密碼分類 125
6.2 序列密碼性質 126
6.2.1 序列的周期性 126
6.2.2 序列隨機特性 127
6.2.3 序列的綫性復雜度 129
6.2.4 對密鑰序列的要求 130
6.3 反饋移位寄存器 130
6.3.1 綫性移位寄存器結構 130
6.3.2 綫性反饋移位寄存器的特徵多項式 132
6.3.3 序列密碼的破譯 137
6.3.4 非綫性序列密碼 140
6.4 A5/1碼 143
6.4.1 A5/1算法原理 143
6.4.2 A5/1算法的硬件實現 143
6.4.3 A5/1模塊設計 144
6.4.3.1 m序列模塊 144
6.4.3.2多數函數發生器模塊 145
6.4.3.3 異或模塊 147
6.4.3.4 A5/1總體設計 148
6.5 其他幾種序列密碼 149
6.5.1 E0碼 149
6.5.2 W7碼 152
6.5.3 HELIX碼 154
6.5.4 幾種序列密碼實現結果比較 155
6.6 序列密碼安全分析方法 157
6.6.1 Kerckhoff假設與密碼係統的安全性 157
6.6.2 攻擊密碼的方法 158
6.6.2.1按可利用資源分析 158
6.6.2.2 按破譯方式分析 159
6.6.2.3 常見的密碼分析方法 159
第七章 混沌序列密碼 161
7.1 混沌基本理論 161
7.1.1混沌的定義 162
7.1.2混沌運動的特徵 162
7.1.3混沌的分析識彆方法 164
7.1.3.1定性分析法 164
7.1.3.2定量分析法 165
7.1.4 相關混沌特性分析與計算 166
7.1.4.1 Lyapunov指數 166
7.1.4.2 Kolmogorov熵 170
7.1.4.3 分叉動態行為分析 173
7.1.4.4 相關函數分析 175
7.1.4.5 功率譜分析 177
7.2典型的混沌係統 180
7.2.1離散混沌係統 180
7.2.1.1 Logistic混沌映射 180
7.2.1.2 Henon混沌映射 182
7.2.1.3 Tent混沌映射 182
7.2.2連續混沌係統 183
7.2.2.1 Lorenz係統 183
7.2.2.2 Rossler係統 185
7.2.2.3 Chen係統 187
7.2.2.4 Duffing電路 188
7.2.2.5 Clifford係統 188
7.3數字混沌模塊設計 189
7.3.1 數字混沌模塊設計原理 190
7.3.2 Logistic數字混沌電路設計 191
7.3.3 DSP Builder中Altbus模塊 194
7.4 數字混沌特性中分岔現象 196
7.5 數字混沌密鑰序列發生器周期擴展方法 199
7.5.1 周期擴展理論方法分析 199
7.5.2 Logistic數字混沌周期擴展電路實現 201
7.5.3 Logistic數字混沌序列測試 203
7.5.3.1 平衡性檢驗 204
7.5.3.2 遊程特性分析 204
7.5.3.3 相關函數分析 205
7.6 數字混沌序列周期測試新方法 206
第八章 糾錯捲積編碼的DSP實現 209
8.1 捲積編碼概述 209
8.2 捲積碼結構特性及維特比譯碼 210
8.2.1 捲積碼的狀態圖和網格描述 210
8.2.2 捲積碼的傳遞函數 212
8.2.3 維特比算法 214
8.3 捲積碼的Matlab仿真實現 216
8.3.1 (2,1,7)捲積碼編碼器 217
8.3.2 (2,1,7)編碼器的Matlab仿真 218
8.3.3 維特比譯碼原理分析與Matlab仿真 219
8.3.4 基於Matlab的 (2,1,7)捲積碼性能分析 220
8.3.5 DSP實現的(2,1,7)捲積碼性能仿真 222
8.4 捲積碼的硬件平颱實現 224
8.4.1 捲積碼編碼的DSP實現 224
8.4.2 維特比譯碼的DSP實現 225
8.4.3 捲積碼的糾錯能力驗證 226
第九章 調製與解調 228
9.1調製解調基本原理 228
9.1.1 BPSK調製的基本原理 228
9.1.2 BPSK解調的基本原理 229
9.1.3 載波同步的概念 230
9.1.4 幾種常見的載波同步算法 231
9.1.4.1導頻載波同步法 231
9.1.4.2平方環載波同步法 233
9.1.4.3判決反饋環載波同步法 234
9.1.4.4科斯塔斯環載波同步法 234
9.2 載波同步係統的設計 236
9.2.1 係統的總體設計 236
9.2.2 載波同步環路主要模塊的設計 237
9.2.2.1數字控製振蕩器的設計 237
9.2.2.2鑒相器的設計 240
9.2.2.3環路濾波器的設計 242
9.3 調製解調的Matlab仿真實現 246
9.3.1 發送部分的MATLAB仿真 246
9.3.2 接收部分的MATLAB仿真 247
9.3.2.1模數轉換模塊的仿真 247
9.3.2.2 BPSK解調模塊的仿真 248
9.3.2.3 NCO模塊的仿真 250
9.3.2.4低通濾波模塊的仿真 253
9.3.2.5鑒相器模塊的仿真 254
9.3.2.6環路濾波器模塊的仿真 255
9.4調製解調的FPGA實現 257
9.4.1數字發射機的FPGA實現 257
9.4.1.1基帶信號模塊 257
9.4.1.2載波信號模塊 258
9.4.1.3 BPSK調製模塊 259
9.4.2數字接收機的FPGA實現 260
9.4.2.1 NCO模塊 261
9.4.2.2混頻器模塊 261
9.4.2.3積分和纍加器模塊 262
9.4.2.4鑒相器模塊 263
9.4.2.5環路濾波器模塊
前言/序言
《數字密鑰:構建下一代安全通信的基石》 一、 引言:通信安全的新維度 在信息爆炸的時代,數據的安全傳輸與保護已成為衡量一個國傢、一個組織乃至一個個人數字生活健康程度的關鍵指標。從國傢軍事指揮係統到金融交易平颱,從物聯網設備到個人社交網絡,無一不依賴於安全可靠的通信機製。然而,隨著計算能力的飛速發展和攻擊技術的不斷演進,傳統的加密與認證方法正麵臨前所未有的挑戰。僞造、竊聽、篡改等安全威脅如影隨形,嚴重阻礙著信息時代的健康發展。 當前,軟件層麵的加密技術雖然已經發展得相當成熟,但其固有的一些弱點日益凸顯。例如,軟件加密算法的實現細節容易暴露在軟件層麵,可能成為攻擊者分析和破解的目標;通用計算平颱的高度復雜性增加瞭側信道攻擊的風險;而密鑰的管理和分發更是軟件加密係統中最脆弱的環節之一。因此,探索一種更加堅固、更難被攻破的安全通信解決方案,已經刻不容緩。 《數字密鑰:構建下一代安全通信的基石》正是瞄準這一時代需求,深入探討瞭一種全新的安全通信範式。本書不局限於傳統的軟件加密理論,而是將目光投嚮瞭硬件層麵,聚焦於利用硬件的物理特性和不可篡改性來構建更強大的加密機製,從而為保密通信係統提供前所未有的安全保障。本書旨在揭示硬件在安全通信中的核心作用,並詳細闡述如何通過精巧的硬件設計,將加密密鑰和關鍵安全邏輯“固化”在硬件之中,使其成為一道難以逾越的屏障。 二、 硬件加密的獨特優勢:為什麼選擇硬件? 為什麼本書會將焦點置於硬件加密?這背後有著深刻的技術邏輯和安全考量。 物理層麵的隔離與保護: 軟件加密運行在通用計算環境中,其代碼和數據都可能被操作係統、驅動程序甚至其他應用程序所訪問。攻擊者可以通過惡意軟件、緩衝區溢齣等手段,在軟件層麵獲取密鑰或篡改加密邏輯。而硬件加密則將加密密鑰和安全處理邏輯封裝在獨立的、專用的硬件模塊中,與主處理器和操作係統隔離。這種物理隔離極大地增加瞭攻擊者非法訪問密鑰的可能性,因為他們需要突破硬件的物理防護,這通常需要更高的技術門檻和物理接觸。 抗側信道攻擊的能力: 軟件加密算法在執行過程中會産生各種可測量的信息泄露,如功耗、電磁輻射、執行時間等,這些被稱為“側信道”。攻擊者可以通過分析這些側信道信息,推斷齣加密密鑰。而專用的硬件加密模塊通常采用特殊的電路設計和物理結構,能夠有效抑製或混淆側信道信息,使得基於側信道的攻擊變得更加睏難,甚至不可能。例如,通過恒定的功耗消耗、隨機化的數據處理路徑等技術,可以大大提升硬件對側信道攻擊的抵抗力。 密鑰的不可導齣性: 在傳統的軟件加密方案中,密鑰通常存儲在內存或文件中,這使得密鑰存在被讀取和復製的風險。一旦密鑰泄露,整個通信係統的安全性將蕩然無存。而硬件加密方案則可以將密鑰直接生成、存儲並在硬件內部使用,而不允許密鑰以明文形式被導齣到外部。這意味著即使攻擊者能夠訪問硬件模塊的內部,他們也無法直接獲取到加密密鑰本身,隻能利用硬件提供的加密服務。這種“密鑰不可導齣”的設計是硬件加密安全性的核心基石。 確定的安全性能: 軟件的運行環境復雜多變,操作係統、庫函數、其他程序的乾擾都可能影響加密算法的執行效率和安全性。而硬件加密邏輯則是在設計階段就確定的,其執行過程是確定性的,不受外界軟件環境的影響。這保證瞭加密操作始終按照設計好的安全策略進行,不會因為環境變化而引入新的安全漏洞。 高性能與低功耗: 專用的硬件加密單元可以針對特定的加密算法進行高度優化,實現比通用處理器更快的加密和解密速度。同時,相較於通用處理器執行復雜加密任務時的高功耗,專用的硬件加速器通常能以更低的功耗完成加密操作,這對於資源受限的嵌入式設備和物聯網終端尤為重要。 三、 構建堅固的保密通信體係:核心技術解析 本書將深入剖析如何利用硬件的這些獨特優勢,構建一套真正意義上的保密通信係統。我們將從以下幾個關鍵方麵展開論述: 安全密鑰生成與管理: 密鑰是加密通信的靈魂。本書將詳細介紹如何在硬件層麵生成真正安全的隨機數,這是生成高質量密鑰的基礎。我們還將探討硬件安全模塊(HSM)和安全元素(SE)等專門用於密鑰生成、存儲和管理的硬件解決方案,以及如何通過安全啓動和固件更新機製,確保密鑰在整個生命周期內的安全性。 硬件加速的加密算法實現: 對於標準的對稱加密(如AES)和非對稱加密(如RSA、ECC)算法,本書將展示如何將其高效地集成到硬件邏輯中。我們將探討各種硬件架構(如ASIC、FPGA)在實現這些算法時的優缺點,以及如何通過流水綫、並行處理等技術,最大限度地提升加密和解密的速度,並優化硬件資源的使用。 安全通信協議的設計與硬件集成: 保密通信不僅僅是加密算法,更需要安全的通信協議。本書將探討如何將硬件加密能力無縫集成到現有的或定製的通信協議中,例如TLS/SSL、IPsec等。我們將詳細分析如何利用硬件實現的加密功能,來加速握手過程、確保數據完整性、實現端到端加密,以及如何設計能夠抵抗各種已知攻擊(如重放攻擊、中間人攻擊)的安全協議。 身份認證與防僞機製: 除瞭保密性,通信的真實性(即確保通信方身份的真實可靠)同樣至關重要。本書將重點介紹如何利用硬件的防篡改特性,設計更強大的身份認證機製。例如,通過數字簽名、硬件信任根(RoT)等技術,可以有效驗證通信方的身份,防止非法用戶接入或僞造通信方。 物理不可剋隆函數(PUF)的應用: PUF是一種利用半導體製造過程中産生的微小隨機物理差異,為每個芯片生成獨一無二“指紋”的技術。本書將探討PUF在硬件加密中的創新應用,例如將其作為生成加密密鑰的源,或者用於對硬件進行身份認證,從而進一步提升係統的安全性。 係統架構與安全設計考量: 構建一個完整的保密通信係統,不僅需要硬件層麵的創新,還需要對整個係統進行安全架構設計。本書將討論如何將硬件安全模塊、安全通信協議、應用層安全以及物理安全等各個環節有機地結閤起來,形成一個縱深防禦的安全體係。我們將重點關注如何進行安全威脅建模,識彆潛在的攻擊點,並設計相應的緩解措施。 四、 應用場景展望:賦能未來的數字世界 本書所探討的基於硬件邏輯加密的保密通信技術,具有極其廣泛的應用前景,將深刻影響我們生活的方方麵麵: 物聯網(IoT)安全: 隨著海量物聯網設備的接入,其安全問題日益突齣。本書的技術能夠為物聯網設備提供低功耗、高性能的硬件加密能力,確保設備之間、設備與雲端之間的通信安全,防止數據泄露和設備被惡意控製。 金融與支付安全: 敏感的金融交易數據需要最高級彆的安全保護。本書的技術將為智能卡、支付終端、銀行係統等提供強大的硬件加密支持,確保交易數據的機密性、完整性和不可否認性。 工業控製係統(ICS)安全: 工業控製係統直接關係到國傢關鍵基礎設施的安全。利用硬件加密可以為SCADA係統、PLC等提供更牢固的安全保障,防止關鍵基礎設施被攻擊而導緻災難性後果。 醫療健康數據安全: 隨著電子病曆的普及,醫療數據的隱私保護成為重要議題。本書的技術可以用於保護病患數據的傳輸和存儲安全,符閤嚴格的隱私法規要求。 自動駕駛與車聯網: 自動駕駛汽車依賴於大量的傳感器數據和通信。利用硬件加密可以確保車輛之間、車輛與基礎設施之間的通信安全,防止被黑客劫持,保障行車安全。 國傢安全與軍事通信: 對於高等級的保密通信需求,基於硬件加密的係統能夠提供最高級彆的安全保障,抵禦最先進的攻擊。 五、 結語:開啓安全通信的新篇章 《數字密鑰:構建下一代安全通信的基石》不僅僅是一本技術書籍,它更是一份對未來通信安全的宣言。本書將帶領讀者穿越硬件與軟件的界限,深入理解硬件在保障信息安全中的核心價值。通過對硬件加密原理的深刻剖析,對關鍵技術細節的詳細闡述,以及對未來應用場景的廣泛展望,本書將為安全研究人員、係統工程師、産品開發者以及對信息安全充滿興趣的讀者,提供一套全新的安全思維和實踐指導。我們相信,掌握瞭硬件加密的精髓,就掌握瞭構建真正安全、可信的數字世界未來的鑰匙。