SOC的高速數據流加密傳輸的方法實現

計算機技術的發展使移動存儲設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用戶的主要辦公方式。隨著電子商務、數字管理以及移動辦公等現代行業的迅猛發展，行業用戶(政府、企業、*、涉密機關)對安全通訊及移動存儲設備的數據安全要求越來越高。

但是，移動介質存在著眾多安全隱患，數據的隨意拷貝、數據的任意打印、移動介質的丟失等均能導致信息的泄密或被盜；*、黑客的入侵使網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據安全，成為安全通訊和移動存儲設備重點需要解決的問題。安全移動存儲設備替代普通移動存儲設備的趨勢越來越明顯。

目前市場上針對安全移動存儲、安全通訊方面的數據流加密設備主要采用軟件加密或數據分段加密的方法。這些方法安全度低，很容易被攻破，非常不適合政府、*、涉密機關和企業等安全度要求高的行業用戶對重要數據的攜帶、保存和傳輸。另外一種安全移動存儲設備的解決方案安全度比較高，但是其采用的是CPU實時搬運數據的方法。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，遠遠滿足不了移動存儲設備對20MBps的速度要求。為滿足相關領域大批量高速實時加密的市場需求，很多科研單位和企業都在力求解決這一問題。

高速數據流實時加密方法的技術實現

本文介紹一種高速數據流實時加密方法。該方法利用一顆芯片內的硬件模塊完成數據的加密和高速傳輸的功能，安全度更高，傳輸速度更快。

該芯片架構摒棄了傳統的數據進出均由CPU控制的管理方式，而是采用SOC芯片中的硬件模塊實現加密、傳輸的過程，每一個步驟均由專門的硬件模塊負責。專用算法模塊完成對數據流的快速加密，高速的傳輸接口完成數據的傳輸，使大批量數據能真正地、安全地流動起來。加密的同時在高速傳輸，從而實現了對數據流的實時加密傳輸，滿足安全移動存儲、安全通訊等領域對速度和安全性的需求。

1．安全數據流傳輸

實現高速數據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)，完成數據包的接收、加密/解密、發送的過程。高速接口采用雙端口的方式，具有同一個流動方向，接收和發送分離(高速接口可為USB2.0、SATA、PATA、以太網等接口)。高速加解密模塊可采用安全等級比較高、執行速度比較塊的算法，例如DES。



從圖1可見：數據流從高速通訊接口流入芯片，經過高速加密模塊后，通過另外一個高速接口發送出去，完成一個高速加密通訊的過程。

2．Pipe line數據處理

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



處理一個數據包時將整個過程分解為3個部分：接收、加/解密、發送。CPU在每完成一步時僅對這3個模塊進行控制，不做數據處理。當大批數據需要處理時，每個時間周期內可同時完成3個數據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據包，該時間周期即為Pipe line周期。但在一個周期內必須保證3個步驟全部執行完畢，CPU才可以對這3個模塊進行控制。

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由圖2可見，Pipe line數據處理周期為：

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據包，速度提高2倍。CPU僅承擔控制的任務，并不負責數據的搬運，程序量非常少，這樣便大大減少了CPU執行程序所占用的時間。

3．數據存儲域的切換

如何保證一個處理周期內可同時對3個數據包分別處理呢？本文采用了數據存儲域切換的方法。如圖3所示，每個功能模塊分別對應一個RAM模塊，在第n個周期，接收明/密文并存放在RAM1內；在第n+1個周期，將RAM1切換對應到加/解密模塊，將RAM1中的數據包加/解密；在第n+2個周期，將RAM1切換對應到發送模塊，并將RAM1中的密/明文發送出去，完成同一個數據包的處理過程。

為實現Pipe Line的流水線工作方式，在同一個周期內，同時處理3個數據包。在第n個周期接收數據到RAM1，加/解密RAM2中的數據,并同時將RAM3中的數據發送出去；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的數據進行處理，以保證平均一個處理周期處理一個數據包，實現pipeline的流水線工作方式。

該實現方法借鑒了CPU執行指令時流水線作業的方式，并使用2個高速的通訊接口，從而保證數據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，大大提高數據流加密的速度，使實時加密通訊和高速加密存儲成為可能。



技術亮點

高速數據流加密的實現方法有下面幾個技術亮點，可滿足實時、高速、安全的需求。

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

(2)在SOC內部采用Pipe line的流水線架構，使得在同一個周期內并行執行3個模塊，同時完成3個任務，大大縮短了一個數據包的平均處理時間。

(3)改變了CPU傳統的管理方式，其僅作為加密模塊和通訊接口的控制端，而不在數據搬運的通路上，避免因CPU執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送分開，同一時間可以接收一個數據包并發送另外一個數據包。

(5)內部集成高速的高安全度的加密算法，使數據以密文的形式在通路上出現，保證數據的安全。

通過實際檢測并將該方法與傳統加密方法進行對比測試，可明顯看出采用此方法實現的數據流加密，其速度比傳統的方法提高了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，為實現高速數據流加密、高安全性的加密存儲設備以及安全通訊設備提供了可靠的硬件和技術保障。