基于单片机和FPGA的网络数据加密实现

2．2 A5／1算法原理
A5／1引是GSM移动通信中数据传输的流密码加密算法。A5／1密码流产生器生成的密码与明文数据帧的每一位相异或得到密文序列。A5／1算法由3个不同长度的线性反馈移位寄存器R1，R2，R3组成，其长度分别为19，22，23位，其反馈特征方程分别为：x18+x17+x16+x13+1,x22+x21+x20+x7+1。算法的初始密钥是64位向量。密码流输出位为3个移位寄存器的异或输出。移位寄存器的使能由多数函数控制。Rl的第8位、R2的第10位、R3的第10位为多数函数数据输入，它们决定3个移位寄存器的移位状况。在这3个数据位中，如果有两个或两个以上的都为0，多数函数值就为0；如果有两个或两个以上的都为1，多数函数值就为1。多数函数输入的3个数据位中与多数函数值相同，相应的移位寄存器就移位。A5／1的硬件实现原理如图2所示。密码流的产生分两个阶段．第一阶段给寄存器装人64位初始值；第二阶段则根据时钟节拍和使能控制产生密码流。
2．3 W7算法原理
W7H算法与A5／1算法在结构原理上有相似之处。W7算法由8个类似于A5／1算法硬件结构模块并行组成，每一个模块都包含3个线性反馈移位寄存器和多数函数。不同的是w7算法是128位的初始密钥，线性反馈移位寄存器的长度图2 A5／1算法的硬件实现原理和反馈结构都不同于A5／1算法。3个线性反馈移位寄存器长度分别为38、43、47位。8个并行模块采用同一初始密钥。但反馈结构和多数函数的输入位均各不相同。8个模块的输出组成8位密码流，加密效率更高。各线性移位寄存器由固定数据位通过逻辑与产生1位数据，再将该位数据与最高位输出异或，最后将3个移位寄存器输出再异或输出作为本并行块的密码位输出。由于有8个并行块，最后总的输出8 bit，即1字节。设计时，每隔8个时钟周期输出一次，保证数据速率的一致性。

3 系统硬件设计
该系统硬件设计由单片机，FPGA和El接121等组成，如图3所示。单片机用于输入用户初始密钥；FPGA负责密钥流产生以及加解密；E1接口实现数据流的发送和接收，完成HDB3码和TTL电平之间的转换，实现通信接口单元和协议数据处理单元之间的全双工通信。

由于通信链路采用E1标准，该系统设计的外部数据链路接121采用E1接口，选用接口器件DS21348。DS21348支持El和T1线接口单元，通过寄存器设置选择E1线接口单元。DS21348可配置为硬件模式，完成HDB3到TTL、TTL到HDB3的电平转换，时钟同步、数据信号格式转换以及数据帧处理。该系统可并行处理两路数据，一路加密，一路解密，实现全双工通信。