SOC的高速數(shù)據(jù)流加密傳輸?shù)姆椒▽崿F(xiàn)

計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使移動存儲設(shè)備代替紙張逐漸成為信息傳遞的主要方式，無紙化辦公也逐漸成為行業(yè)用戶的主要辦公方式。隨著電子商務(wù)、數(shù)字管理以及移動辦公等現(xiàn)代行業(yè)的迅猛發(fā)展，行業(yè)用戶(政府、企業(yè)、*、涉密機(jī)關(guān))對安全通訊及移動存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)安全要求越來越高。

但是，移動介質(zhì)存在著眾多安全隱患，數(shù)據(jù)的隨意拷貝、數(shù)據(jù)的任意打印、移動介質(zhì)的丟失等均能導(dǎo)致信息的泄密或被盜；*、黑客的入侵使網(wǎng)際信息傳輸完全暴露在不法分子面前。因此，如何保證信息保存及傳遞的過程中的數(shù)據(jù)安全，成為安全通訊和移動存儲設(shè)備重點需要解決的問題。安全移動存儲設(shè)備替代普通移動存儲設(shè)備的趨勢越來越明顯。

目前市場上針對安全移動存儲、安全通訊方面的數(shù)據(jù)流加密設(shè)備主要采用軟件加密或數(shù)據(jù)分段加密的方法。這些方法安全度低，很容易被攻破，非常不適合政府、*、涉密機(jī)關(guān)和企業(yè)等安全度要求高的行業(yè)用戶對重要數(shù)據(jù)的攜帶、保存和傳輸。另外一種安全移動存儲設(shè)備的解決方案安全度比較高，但是其采用的是CPU實時搬運數(shù)據(jù)的方法。這種方法雖比前一種方法安全，但是其速度大大降低，僅為400KBps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了移動存儲設(shè)備對20MBps的速度要求。為滿足相關(guān)領(lǐng)域大批量高速實時加密的市場需求，很多科研單位和企業(yè)都在力求解決這一問題。

高速數(shù)據(jù)流實時加密方法的技術(shù)實現(xiàn)

本文介紹一種高速數(shù)據(jù)流實時加密方法。該方法利用一顆芯片內(nèi)的硬件模塊完成數(shù)據(jù)的加密和高速傳輸?shù)墓δ埽踩雀撸瑐鬏斔俣雀臁?br />
該芯片架構(gòu)摒棄了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)出均由CPU控制的管理方式，而是采用SOC芯片中的硬件模塊實現(xiàn)加密、傳輸?shù)倪^程，每一個步驟均由專門的硬件模塊負(fù)責(zé)。專用算法模塊完成對數(shù)據(jù)流的快速加密，高速的傳輸接口完成數(shù)據(jù)的傳輸，使大批量數(shù)據(jù)能真正地、安全地流動起來。加密的同時在高速傳輸，從而實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)流的實時加密傳輸，滿足安全移動存儲、安全通訊等領(lǐng)域?qū)λ俣群桶踩缘男枨蟆?br />
1．安全數(shù)據(jù)流傳輸

實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)流加解密的前提是采用高速的通訊接口和高速的加解密模塊(如圖1)，完成數(shù)據(jù)包的接收、加密/解密、發(fā)送的過程。高速接口采用雙端口的方式，具有同一個流動方向，接收和發(fā)送分離(高速接口可為USB2.0、SATA、PATA、以太網(wǎng)等接口)。高速加解密模塊可采用安全等級比較高、執(zhí)行速度比較塊的算法，例如DES。



從圖1可見：數(shù)據(jù)流從高速通訊接口流入芯片，經(jīng)過高速加密模塊后，通過另外一個高速接口發(fā)送出去，完成一個高速加密通訊的過程。

2．Pipe line數(shù)據(jù)處理

雖然采用高速的通訊接口和高速加密模塊，但是每一個數(shù)據(jù)包在完成接收、加密/解密、發(fā)送這三個步驟時，都會占用一定的時間，如果采用順序執(zhí)行，這類產(chǎn)品的速度要比沒有加密功能的產(chǎn)品降低很多。為再次提高加密傳輸速度，在數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)倪^程中采用了Pipe line(流水線)的數(shù)據(jù)處理方式(圖2)，可使處理速度再提高兩倍。



處理一個數(shù)據(jù)包時將整個過程分解為3個部分：接收、加/解密、發(fā)送。CPU在每完成一步時僅對這3個模塊進(jìn)行控制，不做數(shù)據(jù)處理。當(dāng)大批數(shù)據(jù)需要處理時，每個時間周期內(nèi)可同時完成3個數(shù)據(jù)包中的其中一個步驟，如圖2所示，即平均一個時間周期處理一個數(shù)據(jù)包，該時間周期即為Pipe line周期。但在一個周期內(nèi)必須保證3個步驟全部執(zhí)行完畢，CPU才可以對這3個模塊進(jìn)行控制。

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由圖2可見，Pipe line數(shù)據(jù)處理周期為：

Tperiod = (Max(Ttx,Trx,Tsec)+Tsys)

在此過程中，如果3個階段的處理時間相近，處理周期明顯減少為原來的1/3左右，一個周期處理一個數(shù)據(jù)包，速度提高2倍。CPU僅承擔(dān)控制的任務(wù)，并不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的搬運，程序量非常少，這樣便大大減少了CPU執(zhí)行程序所占用的時間。

3．?dāng)?shù)據(jù)存儲域的切換

如何保證一個處理周期內(nèi)可同時對3個數(shù)據(jù)包分別處理呢？本文采用了數(shù)據(jù)存儲域切換的方法。如圖3所示，每個功能模塊分別對應(yīng)一個RAM模塊，在第n個周期，接收明/密文并存放在RAM1內(nèi)；在第n+1個周期，將RAM1切換對應(yīng)到加/解密模塊，將RAM1中的數(shù)據(jù)包加/解密；在第n+2個周期，將RAM1切換對應(yīng)到發(fā)送模塊，并將RAM1中的密/明文發(fā)送出去，完成同一個數(shù)據(jù)包的處理過程。

為實現(xiàn)Pipe Line的流水線工作方式，在同一個周期內(nèi)，同時處理3個數(shù)據(jù)包。在第n個周期接收數(shù)據(jù)到RAM1，加/解密RAM2中的數(shù)據(jù),并同時將RAM3中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去；在第n+1個周期中，RAM1切換到加/解密模塊，RAM2切換到發(fā)送模塊，而RAM3切換到接收模塊，這3個功能模塊再分別對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以保證平均一個處理周期處理一個數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)pipeline的流水線工作方式。

該實現(xiàn)方法借鑒了CPU執(zhí)行指令時流水線作業(yè)的方式，并使用2個高速的通訊接口，從而保證數(shù)據(jù)流上的每一時刻每一個模塊都在工作。這種方法可以最大限度地利用所有模塊資源，大大提高數(shù)據(jù)流加密的速度，使實時加密通訊和高速加密存儲成為可能。



技術(shù)亮點

高速數(shù)據(jù)流加密的實現(xiàn)方法有下面幾個技術(shù)亮點，可滿足實時、高速、安全的需求。

(1)加/解密和數(shù)據(jù)傳輸完全由芯片實現(xiàn)，依靠的代碼量非常少，硬件實現(xiàn)比軟件實現(xiàn)的速度要快十幾倍甚至幾十倍。

(2)在SOC內(nèi)部采用Pipe line的流水線架構(gòu)，使得在同一個周期內(nèi)并行執(zhí)行3個模塊，同時完成3個任務(wù)，大大縮短了一個數(shù)據(jù)包的平均處理時間。

(3)改變了CPU傳統(tǒng)的管理方式，其僅作為加密模塊和通訊接口的控制端，而不在數(shù)據(jù)搬運的通路上，避免因CPU執(zhí)行冗長的代碼時占用過多的時間。

(4)2個高速的通訊接口使接收和發(fā)送分開，同一時間可以接收一個數(shù)據(jù)包并發(fā)送另外一個數(shù)據(jù)包。

(5)內(nèi)部集成高速的高安全度的加密算法，使數(shù)據(jù)以密文的形式在通路上出現(xiàn)，保證數(shù)據(jù)的安全。

通過實際檢測并將該方法與傳統(tǒng)加密方法進(jìn)行對比測試，可明顯看出采用此方法實現(xiàn)的數(shù)據(jù)流加密，其速度比傳統(tǒng)的方法提高了50倍甚至更高，有效解決了在通訊、移動存儲中加入安全度高的加密算法后速度明顯降低的問題，為實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)流加密、高安全性的加密存儲設(shè)備以及安全通訊設(shè)備提供了可靠的硬件和技術(shù)保障。