基于加密USB2.0接口芯片的设计及验证

基于加密USB2.0接口芯片的设计及验证

0 引言

1 相关知识

1.1 USB 简介

从USB1.0 版本发布到2.0 版本，中间经历了多次版本更新。从1998 年7 月的Windows98 开始，USB 外围设备开始陆续出现，同时也成为最受欢迎的接口.它的优点为:容易使用、 传输速度快、低价位、低能耗、高稳定性、操作系统支持、外围设备的支持、有弹性.缺点 为：缺乏对数据安全性的考虑、缺乏对旧硬件的支持、点对点的通信、速度的限制、距离的 限制、硬件的错误或故障、协议的复杂性、版权费。

1.2 AES 简介

1.2.1 原理及起源

1.2.2 AES 工作流程

Rijndael 算法本质上是一种对称分组密码体制，采用代替/转换网络，每轮由三层组成： 线性混合层确保多轮之上的高度扩散；非线性层由16 个S 盒并置起到混淆的作用；密钥加 密层将子密钥层异或到中间状态。Rijndael 是一个迭代分组密码，其分组长度和密钥长度都 是可变的，只是为了满足AES 的要求才限定处理的分组大小为128 位。而密钥长度为128 位、192 位或256 位，相应的迭代轮数Nr 为10 轮、12 轮、14 轮。可以抵御强大和实时的攻击。

2 系统解决方案

2.1 系统原理

本文主要目的是要设计一个既符合USB2.0 规范的数据接收和发送，又可以对接收到的 数据进行自动加密的专用集成电路的设计，并将所设计的系统用FPGA 对其进行功能验证。

该系统由两大模块组成：USB 模块和AES 加密模块。 系统结构如图1 所示：

2.1.1 USB 接口模块原理

(1) 完全支持 USB2.0 规范，提供全速模式和高速模式，其数据率分别为12Mbit/s 和 480Mbit/s。

2.1.2 AES 模块原理

该模块负责将USB 模块接收并解包的数据进行加密然后将加密后的数据存入外部存储器或通过WISHBONE 接口电路送到外围设备中。

2.2 性能分析

2.2.1 USB2.0 模块的性能分析

下表为USB 模块综合后的性能参数：

2.2.2 AES 模块的性能分析

下表为AES 加密算法综合后的数据：

2.2.3 整个系统的性能分析

下表为系统综合后的性能参数：

由以上综合结果分析可以得出，该系统在FPGA 上进行验证是完全可行的，而且它的频 率可以达到336.02MHz，完全可以实现USB480Mbits/s 的传输速度。

2.3 系统实施的必要性和可行性分析

该系统的主要目的是设计一个可以对数据进行自动加密的USB2.0 接口芯片,常规的USB 接口芯片是不带加密功能的。而现今USB 的应用领域中有很大一部分需要对所传输的数据进 行加密。对安全性要求特别高,所以制作一个既符合USB2.0 规范,又可对数据进行自动加密 处理的专用集成电路在应用上将会有很大的应用空间.制作这样的集成电路很有必要.

3 系统优势分析

提高USB 数据通讯可靠性的措施基本上可以分为两种：一种经过计算机软件处理，对数 据进行加密；另一种方法是在硬件的层面上对数据直接加密。其中软件处理实现起来较简单， 但软件加密处理速度比硬件加密慢许多，如果需要对大量数据进行实时加密，软件处理将会 消耗太多的时间，不适合数据的实时加密和通讯。相反，用硬件的方法来解决，在速度方面 将获得较理想的实时加密通讯的效果。

由以上分析可知，该系统采用硬件处理加密和USB 通讯，可以在满足USB2.0 规范的数 据传输的基础上，极大地提高系统的安全性。

4 结论

综上所述, 通过研究对USB 通讯安全性的需求,开发一个具有数据实时自动加密的USB 设备控制器可以开创USB 安全通信的新领域,而且,现在市面上大多数器件的外围接口的都 支持USB，如果可以开发一块保密性高而又不影响原有USB 通讯高速率、简单易用的芯片将 会受到广大用户的青睐.

版权声明：本文内容由网络用户投稿，版权归原作者所有，本站不拥有其著作权，亦不承担相应法律责任。如果您发现本站中有涉嫌抄袭或描述失实的内容，请联系我们jiasou666@gmail.com 处理，核实后本网站将在24小时内删除侵权内容。