[发明专利]一种基于DS2432芯片的FPGA设备加密认证系统

摘要

本发明公开了一种基于DS2432芯片的FPGA设备加密认证系统，属于加密认证和安全技术领域，旨在为以FPGA作为核心处理器件的设备提供一种使用方便、安全可靠、低成本和低功耗的加密认证系统和方法。本发明硬件平台由FPGA芯片、DS2432芯片、FLASH芯片和PC上位机构成，功能模块包括初始化配置程序、上位机加密配置软件、加密认证模块。本发明充分利用了设备现有资源，具有结构简单、成本低等优点；对不同设备的不同DS2432加密芯片不用重新综合实现FPGA程序，具有通用性强、使用方便的优点；对认证信息使用了三层加密保护，确保了加密认证系统的安全性；在设备的整个运行过程中认证操作会持续进行，只要有一次认证没有通过会一直复位整个系统直到下一次重新上电，保证任何时候系统的合法性；与DS2432交互操作的FPGA模块的设计上采用了分层设计思想、模块化设计方法和标准化的控制和数据接口技术，有效降低设计难度、提高设计可重用性。

主权项

1.一种基于DS2432芯片的FPGA设备加密认证系统和方法，其特征在于：硬件平台由FPGA芯片100、DS2432芯片101、FLASH芯片102和PC上位机103构成，其连接方式为：FPGA芯片100通过1‑wire总线与DS2432芯片101相连，通过SPI总线与FLASH芯片102相连，通过以太网或串口与PC上位机103相连；功能模块包括初始化配置程序200、上位机加密配置软件201、加密认证模块202，其中初始化配置程序200由DS2432初始化模块1、加密信息解析模块2、FLASH控制器3构成，加密认证模块202由加密信息解析模块2、FLASH控制器3和DS2432认证模块4构成；所述的DS2432初始化模块1由四个物理层模块：比特写模块1a、比特读模块1b、复位脉冲发送模块1c、总线接口模块1d，两个链路层模块：多字节写模块2a、多字节读模块2b，七个命令层模块：读光刻ROM模块3a、写缓冲区模块3b、读缓冲区模块3c、读存储器模块3d、复制缓冲区模块3e、密钥加载模块3f、读认证页模块3g，以及两个应用层模块：DS2432初始化主控状态机4a、MAC验证模块4b构成；所述的DS2432认证模块4由四个物理层模块：比特写模块1a、比特读模块1b、复位脉冲发送模块1c、总线接口模块1d；两个链路层模块：多字节写模块2a、多字节读模块2b；三个命令层模块：写缓冲区模块3b、读缓冲区模块3c、读认证页模块3g；以及两个应用层模块：DS2432认证主控状态机4c、MAC验证模块4b构成；所述的一种基于DS2432芯片的FPGA设备加密认证系统和方法，其特征在于：初始化配置流程包括如下步骤：A．通过JTAG接口把初始化配置程序200烧写进FPGA芯片100，通过以太网或串口连接设备到上位机，保证初始化配置程序200与上位机加密配置软件201正常的通信；B．初始化配置程序200通过DS2432初始化模块1读出DS2432芯片101的64位光刻ROM，通过以太网或串口上传至上位机加密配置软件201；C．上位机加密配置软件201首先通过状态转移随机算法产生64位随机数据作为DS2432密钥、产生1024位随机数据作为DS2432存储器数据；其次把产生的64位密钥、1024位存储器数据和读出的64位光刻ROM使用上述的认证信息加密保护方法处理，最终得到认证信息加密文件；D．上位机加密配置软件201通过以太网或串口把生成的认证信息加密文件写入FPGA，初始化配置程序200会并行的完成如下两个操作并产生两个对应的状态指示：1）通过FLASH控制器3把认证信息加密文件写入到FLASH芯片102的指定位置，写入后会读出比较，整个文件写入比较正确之后会产生FLASH配置成功标志；2）通过加密信息解析模块2对认证信息加密文件解密，得到的原始64位密钥、1024位存储器数据通过DS2432初始化模块1对DS2432芯片101做初始化，初始化完成之后DS2432初始化模块1会执行一次完整的认证过程，如果认证成功产生DS2432初始化成功标志；E．FLASH配置标志和DS2432初始化标志会上传至上位机加密配置软件201，如果其中任意一个操作不成功，上位机加密配置软件201会重新启动完整的初始化配置流程；认证流程包括如下步骤：A．设备上电之后加密认证模块202通过FLASH控制器3从FLASH芯片102的指定位置读出认证信息加密文件；B．读出的认证信息加密文件送入加密信息解析模块2解密，得到FLASH芯片102中存放的认证信息（包括光刻ROM、密钥、存储器数据）送入DS2432认证模块4；C．DS2432认证模块4和DS2432芯片101配合完成认证操作，其操作过程如下：1）DS2432认证模块4产生24位随机质询码通过1‑wire接口发送给DS2432芯片101；2）DS2432芯片101根据该质询码和其内部存储的64位密钥、所选存储器页的数据以及光刻ROM使用SHA‑1算法算出实际MAC，并将实际MAC回送给DS2432认证模块4；3）DS2432认证模块4使用FLASH芯片102中存放的认证信息算出期望MAC；4）比较期望MAC和实际MAC，如果两者相同则本次认证过程通过；D．在设备的整个运行过程中第三步的认证操作会持续进行，两次认证的时间间隔也是随机的，如果认证没有通过会产生相应的信号复位整个系统，并且只要有一次没有通过，会一直复位整个系统直到下一次重新上电，保证任何时候系统的合法性。