基于FPGA技術的GPS數據加密系統設計研究

　　(1)將Ri-1按照擴展換位表E擴展為48 bit的數據；

　　(2)將擴展后的Ri-1與循環移位后的48 bit子密鑰K(K1，K2，…，K48)“異或”；

　　(3)將“異或”后的結果送入8個S盒(S box)進行替代運算，每個S盒都有6 bit輸入、4 bit輸出，并且8個S盒都不相同，48 bit的輸入分為6位一組，分別送到8個S盒選擇相應的輸出，結果為32 bit；

　　(4)S盒替代后的32 bit結果依照P盒(P box)進行置換，置換后結果即為f(Ri-1，Ki)的最終值，這樣便完成了f函數的運算。

　　算法中用到的初始換位表IP、放大換位表E、替代函數表S、換位函數P、逆初始換位IP-1、密鑰循環移位表可在參考文獻[4]中查到。本設計中，GPS數據的加密在加密卡中完成，解密在服務器端完成，為方便功能擴展，在加密卡中設計、保留了解密功能。

　　2.3 DES算法仿真驗證

　　本設計的DES IP采用ALTERA公司的Quartus 7.0軟件開發及Verilog HDL語言編寫[5]，整個加密卡在單片Cyclone系列EP1C6Q240C8N芯片上實現。圖4為Quartus 7.0開發軟件下DES IP的仿真圖。

　　各仿真信號的意義及說明如下：

　　時鐘信號(clk)：周期為10 ns、占空比為50%；

　　復位信號(reset_n)：低電平有效，置高；

　　模式信號(mode)：加密/解密選擇，‘1’為加密，‘0’為解密；

　　加載信號(load)：高電平有效，置高；

　　加密數據(des_in)：8000 0000 0000 0000；

　　密鑰信號(key)：0000 0000 0000 0000；

　　加密結果(des_out)：95F8 A5E5 DD31 D900；

　　加密完成信號(ready) ：在第17個周期后置高。

　　DES IP工作時，“密鑰”保存在總線接口的密鑰寄存器中，“加密數據”由NIOS輸入，加密完成后，通過“加密完成信號”產生的I/O中斷傳回給NIOS。圖4中，其加密結果與XILINX公司網站上設計參考中給出的數據一致，表明DES IP設計正確。

　　本設計采用FPGA技術設計了GPS數據加密系統，重點介紹了機載模塊中DES IP的設計。實驗發現，采用NIOS進行DES算法軟件加密時速度慢，會出現間隔丟失GPS數據的現象，而采用硬件DES IP進行加密處理時，完全可以滿足GPS接收機的速度需要，不會出現丟點現象。系統采用MD5算法對管理員口令進行加密，進一步增強了系統的安全性，因此本設計對解決該GPS測量系統安全性方面有較大的現實意義和實用價值。