一种基于VPN网关的电原理设计与实现

根据设计要求，将SCC配置成以太网模式。MPC855T以太网控制器必须通过收发器连接到以太网络，在设计中选用了AC101TF[2] 10/100以太网收发器。图6为其基本元件和需要连接到MPC855T的管脚，其中HST-005S为隔离变压器。当855T发送数据时，设置接到RTS的发送允许管脚，同样地，当收发器接收数据时，设置接收允许（RENA）线然后置位855T的CD。最后，收发器上有一个冲突管脚，驱动控制器上的CTS就可以响应冲突。如果RENA和/或CLSN出现，激活载波检测。

2．6 快速以太网控制器(FEC)接口电路
10/100Mbps快速以太网控制器集成了FIFO可以独立地实现突发模式的DMA传输，因此，在不影响CPM性能条件下，可获得高性能的快速以太网接口。图7为FEC方框图。快速以太网控制器FEC，嵌入式PowerPC核，系统接口单元SIU，通信处理模块CPM都使用32-bit的内部总线。
根据设计要求，VPN网关工作在10Mbps以太网环境中，为了保证其两个以太网口的工作平衡，把FEC配置成10Mbps工作模式，使用7线串行模式与外部的以太网收发器连接，仍然选用AC101TF为外部收发器，其线路连接与图7类似。
2．7 存储器电路
MPC855T的存储器控制器可用来控制8个块。它可以连接SRAM、EPROM、Flash EPROM、同步DRAM及其他外置设备而无须附加逻辑电路，它还支持地址总线复用，定时清除计时器，以及产生行及列的地址选择波形。

如图8所示，通用目的片选机构设计成SRAM、EPROM、Flash EPROM和其他外设的接口。用户可编程机构UPM允许接到多种存储器设备，同GPCM一样，用户可编程机构产生一个片选，但一个已经编程为波形，或用于一个DRAM块的RAS，每一个UPM的4个字节选择都同样编程为波形，变成DRAM块的CAS，UPMA有4个字节选择，UPMB有4个字节选择。另外，有6个通用目的线，它可以编程为所需的在一个时钟周期内波形，这些通用目的线，特别适合于支持一些新的存储器技术，如同步DRAM，用户可编程机构产生TA，事实上，在这种机构中有可以外部提供TA。
2．8 加密模块的接口和设计
为了使用不同的硬件加密算法，将加密模块设计成子板的结构，在主板上设计了两个双排孔座，各有50个引脚。主要信号有32根数据线D[31:0]、16 根地址线A[29:14]、读写R/W、输出使能OE、中断请求IRQ4、片选CS3、同步时钟S_CLK以及突发模式传输控制线TS、BURST、TA、BDIP、TEA、＋5V电源和地线。按这样设计的接口，可以很方便地与多种硬件加密算法芯片做成的加密模块相连接，如国密办批准的SSF10B及国外的网络安全协处理器。
为了测试和满足不同用户的需求，设计了两款加密模块。（1）SSF10：其32-bit数据宽度版本为SSF10B。SSF10算法为分组密码算法，支持ECB、CBC、CFB和OFB工作模式。要求工作平台的CPU能对PWC、PWD、PRC、PRD信号产生等待周期。/PRD的有效时间应大于PCLK的时钟周期T。（2）三重DES：为了与采用IPSec协议和Triple DES算法的VPN客户端互通，设计了一款硬件Triple DES加密模块，其算法用VHDL语言写成，并由FPGA完成运算。FPGA选用Altera公司的EP1K30[3]芯片，该芯片有30000个逻辑门电路，可以满足Triple DES的需要。
3VPN网关的实现
这部分的主要工作是将原有x86平台上的应用软件移植到MPC855T平台上，作为一个VPN网关，应具备两大功能：（1）路由功能：安全加密路由平台介于局域网与边界路由器之间，应具备一定的路由转发功能。（2）IPSec协议族功能：具备IPSec协议标准描述的所有功能。
3．1 系统总体框架和工作模式
系统总体框架由5个部分组成：（1）硬件层：基于mpc855t平台，提供软件运行环境。（2）Linux内核：嵌入式Linux/ppc-2.4.4。将IPSec实现和防火墙支持编译到内核中。（3）系统服务和工具。（4）管理控制台界面。（5）升级服务。
由于本设计使用DOC或Flash Memory作为存储介质，文件系统工作方式宜用Ram Disk方式。在此方式下，系统工作时根文件系统在ram disk上，系统异常掉电不会对真正的文件系统造成破坏。但因为所有的配置信息都在SDRAM中，掉电将会丢失所有配置信息，因此需要以后台进程定期检查配置文件的变动情况，将有变动的文件及时写回DOC/Flash中。
3.2 IPSec实现中的硬件加密算法
在本文设计的VPN安全网关中，加密算法的安全、高效，是VPN网关安全性和有效性的重要保证。为此在设计中，采用了一种硬件加密模块[4]的方式，使得VPN网关可以在硬件上使用不同的加密算法。在默认配置中，使用国密办批准的分组加密算法芯片SSF10。为了使用硬件加密模块，需要在Linux内核的IPSec实现中添加和修改相应的代码，下面对其简单说明。
因IPSec实现在内核中的特殊位置，并且MPC855T的主频较低（80MHz），采用访问设备驱动文件的方式访问硬件SSF10加密模块会造成速率大幅降低，因此，我们采用I/O直接访问硬件SSF10芯片，这样需将模块驱动中的操作分散到IPSec实现的相关部分，替换原来的软件加密算法。同理，可以使用硬件DES/3DES、硬件AES[5]算法和其他的国密办批准的算法，用硬件实现数据加密。对IPSec的一个实现freeswan算法部分进行修改，使其可以实现硬件算法。完成修改后，使用内核make menuconfig命令，选中Networking options->[*]IPSEC:Use SSF10......，重新编译即可使用SSF10硬件算法模块。
4 结束语
创新点:开发由VPN安全网关、VPN客户端和VPN安全管理中心三部份组成的VPN安全系统。为保证公网上传输数据的安全，设计开发一款VPN安全网关，用于构建上述的VPN安全系统。同PowerPC MPC8xx一样，MPC82xx也是一款集成了微处理器和外围器件控制器的通信处理器，可以用于多种通信设备中。但是MPC82xx具有更高的操作速度：系统内核微处理器支持100-333MHz的处理速度，并具有更强大的网络处理能力，支持3个快速通信控制器（FCCs），4个串行通信控制器（SCCs），2个多通道控制器（MCCs），适合用于100Mbps以太网环境中的网络设备。