一種pci-e加密卡的製作方法

2023-05-31 21:12:46 2

一種pci-e加密卡的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種PCI-E加密卡，包括插接在電路板上的FPGA主控模塊、PCI-E接口、SATA控制模塊、多個可插接不同加密卡的加密插槽、USB接口、分別與計算機相連的SATA接口和轉接口、接口為RJ45的有線網絡接口、網絡接口、DSP控制晶片、數字物理噪聲源晶片、加密模塊和FLASH模塊。其中，FPGA主控模塊，是加密卡的核心模塊，根據主機發送的命令控制所述加密卡的整體操作；本實用新型利用PCI-E總線接口技術為加密卡的數據加密提供了高速處理通道，大大提高了加密卡的工作速度；同時SATA接口和轉接口在主板與硬碟之間建立轉換機制，既不影響計算機對硬碟的正常操作，又能夠保證硬碟進出數據的安全，通過SATA的控制模塊實現新規範硬碟的加密，同時兼容多種SATA標準，擴大了硬碟的加密範圍；支持多種網絡接口，用以直接為網絡傳輸的數據加/解密提高；利用USB接口能夠為多種外接設備提供加密服務，擴大了用戶的保護範圍。
【專利說明】—種PC1-E加密卡

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及數據安全領域，具體涉及一種PC1-E加密卡。

【背景技術】
[0002]加密卡作為一種硬體加密方法能夠提高加解密的處理速度提供複雜的加密方式，已經被廣泛應用。目前主流的加密卡主要由主控模塊、加密模塊、flash模塊、隨機數生成器和通信接口模塊組成，還可以增加DSP控制模塊。
[0003]其中:主控模塊是加密卡的核心模塊，其根據主機發送的命令控制加密卡的整體操作，基於F P GA (Field — Programmable Gate Array,即現場可編程門陣列)進行加密是現有技術中常用的方法，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物；加密模塊，可以提供加/解密算法，例如SM1、SM2、SM3、SM4、RSA等多種國標算法；flash模塊，可以為加密卡提供配置數據，對加密卡只要進行簡單配置就可以滿足不同的用戶使用；隨機數生成器，採用專用數字物理噪聲源實現，負責產生真隨機數序列；DSP控制模塊可以完成數位訊號處理。
[0004]通信接口模塊負責完成加密卡與主機之間的數據通信，目前加密卡可通過PC1-E總線與主機通信，如《基於FPGA的高速加密卡設計與實現》中公開了一種基於FPGA的加密卡。該加密卡通過PC1-E總線與主機通信。但是現有的硬體加密卡多是針對IDE規範，相對現在採用的SATA規範的硬碟處理標準，已經大為落後。
實用新型內容
[0005]為解決現有技術中加密卡對主流數據接口規範支持單一、擴展性不夠且處理速度慢的問題，本實用新型在《基於FPGA的高速加密卡設計與實現》中提到的採用PC1-E總線並選用可編程邏輯器件(FPGA)設計實現了一款高速率、高可靠性的硬體加密卡的基礎上提供一種應用於SATA規範且能夠為不同標準的數據提供加密的硬體加密卡，也就是增加了 SATA控制模塊、SATA接口及轉接口，在原有設計中將SATA接口和加解密功能結合起來，把主機和硬碟傳送來的數據進行加解密處理後再傳輸給相應端，完成對數據進行高速硬體加密的功能，SATA控制模塊可以採用Silicon Image公司的Sil3114CT176晶片，依靠該晶片可以實現對基於SATA規範的硬碟進行加解密；另外還增加了 DSP控制晶片，將DSP控制晶片連接到PC1-E接口，可以實現密碼模塊與PCI主機的通信連接，DSP控制晶片可以採用TI的TMS320系列，基於該晶片可以為加密卡數據加密提供高速處理通道，大大提高了加密卡的工作速度。
[0006]本使用新型具體方案如下:一種PC1-E加密卡，包括插接在電路板上的FPGA主控模塊、DSP控制晶片、數字物理噪聲源晶片、PC1-E接口，加密模塊、多個可插接不同加密晶片的加密插槽、SATA接口、轉接口、SATA控制模塊、FLASH模塊、電源模塊，其中，FPGA主控模塊分別與DSP控制晶片、SATA控制模塊及加密模塊連接；DSP控制晶片還與PC1-E接口和數字物理噪聲源晶片連接；FLASH模塊分別與FPGA主控模塊和DSP控制晶片連接；SATA控制模塊通過SATA接口和轉接口分別與計算機硬碟和計算機主板連接；加密插槽分別與FPGA主控模塊和電源模塊連接，這樣既不影響計算機對硬碟的正常操作，又能夠保證硬碟進出數據的安全。而DSP控制晶片連接到PC1-E接口，可以實現密碼模塊與PCI主機的通信連接，為加密卡的數據加密提供了高速處理通道，大大提高了加密卡的工作速度。
[0007]上述加密卡的各模塊都是通過電路板上的印刷電路連接。
[0008]加密卡的FPGA主控模塊採用Xilinx公司的Spartan系列或Virtex系列，管理加密卡各項功能，當然也可以採用《基於FPGA的高速加密卡設計與實現》中提到Altera公司的CyclonelV CX系列的EP4CGX30FPGA晶片。作為本發明的另一種實施例，也可以採用FPGA晶片內置的N1sII軟核處理器來代替本實用新型中的DSP晶片。
[0009]加密模塊採用同方的TF32A09晶片，其採用32位CPU內核，支持DES、3DES、2KEY、3KEY算法的加密解密以及EBC模式和CBC模式的加密解密，支持ECC、SM1、SMS4等算法。
[0010]DSP控制晶片對數位訊號進行處理運算，採用TI的TMS320系列。
[0011]FLASH模塊，可為加密卡提供配置數據。數字物理噪聲源晶片，用於產生隨機數，採用WNG系列的WNG-4晶片。WNG-4晶片可以和FPGA、E2PR0M 一起組成應用系統，以產生密鑰、存儲密鑰和更新密鑰。系統中WNG-4輸出的序列具有良好的隨機性。不僅能夠提供良好的隨機數，還可提高加密的安全等級。
[0012]SATA控制模塊採用Silicon Image公司的Sil3114CT176晶片，實現新規範硬碟的加密，用於與計算機接口、安全CPU單元、各加密模塊交換數據，並執行各種邏輯與時序控制功能。
[0013]進一步的，所述加密卡的SATA接口有2-4個且分別針對不同的使用規範，可同時兼容多種SATA標準，擴大硬碟的加密範圍。
[0014]加密卡上設置有4個可連接加密晶片的加密插槽，每個加密插槽分別與主控模塊和電源模塊連接，具體加密插槽採用帶有多針插座的形式，而相應插接的加密晶片採用帶有相應插針的封裝模塊結構，這樣就使加密晶片方便的通過插針插接在加密插槽內，實現加密卡相應加密功能的擴充。
[0015]加密卡上還設有網絡接口，可直接為通過網絡傳輸的數據提供加解密功能，而不用通過主板傳輸，以提高本實用新型對網絡數據加密/解密的效率，同時降低PCIE總線上數據交互的頻率。
[0016]加密卡上還設置轉接口與SATA控制模塊連接，可支持SATA規範與IDE規範的轉換。
[0017]在加密卡上還設置有與主控模塊連接的外置USB接口，可為多種外接設備提供加密服務。
[0018]本實用新型能夠應用在不同的場所，既可以為集團內部提供安全保護，也可以為個人用戶隱私提供安全防護，並且只要將現有晶片進行組合即可得到本實用新型提供的基於SATA規範且能夠為多種數據應用提供加密的硬體加密卡，降低成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下面結合附圖對本實用新型所述的硬體加密卡進行具體說明。
[0020]圖1本實用新型的結構示意圖。
[0021]附圖中標號說明:1_主控模塊、2-DSP控制晶片、3-數字物理噪聲源晶片、4-PC1-E接口、5-加密模塊、6-SATA接口、7-轉接口、8-USB接口、9_SATA控制模塊、10-FLASH模塊、11-電源模塊、12-有線網絡接口、13-網絡接口、14-無線網絡接口、15-加密插槽、16-電路板。

【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，本實用新型的硬體加密卡，包括插接在電路板16上的PC1-E接口 4，FPGA主控模塊1，分別與主控模塊I連接的FLASH模塊10、加密模塊5、用於處理SATA協議的SATA控制模塊9、5V電源模塊11和可插接加密晶片的加密插槽15，所述SATA控制模塊9連接有與SATA硬碟連接的SATA接口 6和與計算機主板上SATA接口連接的轉接口 7，分別與主控模塊I和PC1-E接口 4連接的DSP控制晶片2，與DSP控制晶片2連接的數字物理噪聲源晶片3，所述加密插槽15分別與主控模塊I和5V電源模塊11連接。
[0023]本實用新型中主控模塊I通過SATA控制模塊9實現硬碟數據到主板或主板數據到硬碟的傳輸。在需要加解密時，數字物理噪聲源晶片3產生隨機數並提供給DSP控制晶片2，DSP控制晶片2將隨機數存放在FLASH模塊10中供主控模塊I調用，加密模塊5根據內部的加解密算法對DSP控制晶片2傳送的隨機數生成相應密鑰，並提供給主控模塊I用於相應數據的加密。主控模塊I不但需要控制加解密過程而且需要對加密卡上的相應接口進行控制，以保證數據的正常傳輸。本實用新型的加密卡採用主板提供的5V電壓，並由5V電源模塊為各晶片進行供電。
[0024]本實用新型利用DSP控制晶片連接到PC1-E接口，以實現密碼模塊與PCI主機的通信連接，提高整個加密卡的加密數據處理速度。本實用新型利用SATA接口和轉接口在主板與硬碟之間建立轉換機制，既不影響計算機對硬碟的正常操作，又能夠保證硬碟進出數據的安全。
[0025]本實用新型的加密卡上的各模塊都是通過電路板16上的印刷電路連接。
[0026]本實用新型中FPGA主控模塊，是加密卡的核心模塊，根據主機發送的命令控制所述加密卡的整體操作，用戶可以對FPGA主控模塊進行編程，實現用戶自定義的加密算法。本實用新型中的FPGA模塊採用Xilinx公司的Spartan系列、Virtex系列或者Altera公司的CycloneIV CX系列的EP4CGX30FPGA晶片。作為本發明的另一種實施例，也可以採用Altera公司的N1sII軟核處理器來代替本實用新型中的DSP晶片。
[0027]SATA控制模塊9採用Silicon Image公司的Sil3114CT176晶片，其能夠支持四個USB接口，在工作時，計算機通過PC1-E接口 4將相關數據傳送到DSP控制晶片2。DSP控制晶片採用TI的TMS320系列，該晶片可實現PC1-E接口數據的處理。數字物理噪聲源晶片採用WNG系列的WNG-4，該晶片能夠產生隨機數，並提供給DSP控制晶片2，DSP控制晶片2將隨機數存放在FLASH模塊10中供主控模塊I調用。加密模塊5採用同方的TF32A09晶片，該晶片的內部加解密算法對DSP控制晶片2傳送的隨機數生成相應密鑰，並提供給主控模塊I用於相應數據的加密。
[0028]加密卡上還設置轉接口與SATA控制模塊連接，可支持SATA規範與IDE規範的轉換。
[0029]加密卡上設置的加密插槽15，為一種可連接加密晶片的印刷電路，其分別與主控模塊和電源模塊連接，具體加密插槽採用帶有多針插座的形式，而相應插接的加密晶片採用帶有相應插針的封裝模塊結構，這樣就使加密晶片方便的通過插針插接在加密插槽內，實現加密卡相應加密功能的擴充。而具體的加密晶片的管腳與加密插槽在數量、規格、間距位置上相配，為了使本實用新型的加密插槽適應不同的加密晶片，本實用新型提供的每一個加密插槽設有80個管腳，其中包括64個10管腳、3個1.2伏電源線管腳、3個3.3伏電源線管腳、3個5伏電源線管腳、5個地線管腳、1個電源供電控制信號管腳和1個復位信號管腳。進一步的，每個加密模插槽的80個管腳按從上到下分成4行，每行20個管腳排列在印製線路板上，這樣設計的管腳布置較為整齊美觀，方便利於用兩個雙排插座插接，而每個加密插槽可以根據密碼晶片的需要選擇所需電源供電的種類和數量，數據、地址、控制等信號可在64個10管腳中根據需要選擇，也可根據需要選擇是否使用所提供的復位信號及電源控制管腳。這種靈活性的選擇方式既滿足了不同的設計使用要求，又具備一定擴展性。
[0030]進一步的，本實用新型的FPGA主控模塊1，也設置有與加密插槽相匹配的管腳，並用其中的256個數據管腳與4個加密插槽15的256個10管腳通過印製線路一一相連。本實用新型中的每一個加密插槽15還可以將其中一個5伏電源線管腳通過印製電路與加密卡上的5v電源模塊11連接。
[0031]例如，本發明提供的加密插槽中可插接LKT4103多接口加密晶片。LKT4103多接口加密晶片LKT4103採用增強型8051智慧卡內核，晶片內部嵌入凌科芯安公司的LKC0S智能作業系統，用戶可以把MCU中程序一部分關鍵算法函數下載到LKT4103晶片中運行。用戶採用標準C語言編寫操作代碼，採用KEIL C編譯器，編譯並下載到智能晶片中。在實際運行過程中，通過調用函數方式運行智慧卡晶片內的程序段，並獲得運行結果，並以此結果作為用戶程序進一步運行的輸入數據。LKT4103成了產品的一部分，而算法在LKT4103內部運算，盜版商無法破解，從根本上杜絕了程序被破解的可能。晶片內部硬體實現了國家商用密碼產品所需的SSF33和SM1算法專用加密模塊、DES/3DES加密模塊和RSA公鑰算法引擎。晶片內嵌32位真隨機數發生器RNG。晶片擁有豐富的對外接口，包括USB Device控制器，可支持USB Low Speed、Full Speed通信模式；7816主/從收發器,可實現T = 0和T = 1協議，支持多種通信速率；硬體SPI主/從模塊以及8個GP10埠。
[0032]為方便不同的網絡連接方式，在加密板上安裝有與主控模塊1通過印製電路連接的各種網絡接口，例如無線網絡接口 14、有線網絡接口 12，和網絡接口 13，其中，有線網絡接口 12為RJ45接口，網絡接口 13採用Davicom公司的DM9102HEP晶片，DM9102HEP是PCI接口 10/100Mbps乙太網控制器，適用於主晶片帶PCI總線的嵌入式應用；而無線網絡接口14採用RaLink的3070系列，其可支持300Mb/s的最大速度，最大速度150Mb/s，Ralink的信號強度好，連接要求低。
[0033]在加密方式上，有線網絡接口 12、網絡接口 13和無線網絡接口 14，都是將通過不同網絡接口傳輸的數據通過網絡接口模塊進入主控模塊，主控模塊將加密模塊產生的密鑰添加到數據上或對相應的數據進行解密，然後再由PC1-E接口將數據輸送給計算機，因此，利用加密卡對各種網絡接口控制的進出數據進行加解密，保證了計算機網絡通訊數據的安全性。同時將每個網絡接口設置在加密卡上不需要使數據再通過計算機內部進行轉送，提高了數據的處理速度，另外也避免了網絡數據在轉送過程中存在的洩密可能。
[0034]本實用新型的所述加密卡上還連接有外置USB接口 8，所述USB接口 8與主控模塊1連接。加密卡能夠驅動和識別USB接口 8，當USB接口 8中插入了相應的外接設備時，主控模塊1進行識別並將相應的外接設備信息傳送給計算機，主控模塊1同時接收計算機對外接設備的加解密請求，並按前述加解密方式對外接設備上的數據進行加解密。通過與加密卡連接的USB接口，能夠為U盤、移動硬碟或其它的數字設備中的數據進行加密，大大方便了用戶的需求，使得一塊加密卡能夠完成常用通訊數據的加密。
[0035]本實用新型中PC1-E接口 IP核支持兩個256K字節的I/O空間，支持一個4M字節的PC1-E內存空間，在PC1-E的數據傳輸中，主要依靠I/O讀、I/O寫、存儲器讀、存儲器寫等操作完成數據傳輸。I/O讀、寫命令用來從一個映射到I/O地址空間的設備中讀、寫數據。存儲器讀、寫命令用來從一個映射到存儲器地址空間的設備讀、寫數據，數據從PC機進入PCI接口模塊，先存入PCI接口模塊中指定的I/O存儲單元中，在主控模塊的控制下，依次進入加密模塊，數據經過處理後輸出到輸出緩存之中，由驅動程序將運算結果傳輸給應用程式。
[0036]本實用新型提供的加密卡在現有晶片組合的基礎上可實現基於SATA規範且能夠為多種數據應用提供加密，實現高速數據加解密，既不影響計算機對硬碟的正常操作，又能夠保證硬碟進出數據的安全。
[0037]為了提高對使用不同規範硬碟的支持，本實用新型的所述的SATA接口 6有2-4個且分別針對不同的使用規範。如SATA2.0、SATA3.0、eSATA等常用標準接口，通過這種方式能夠擴大加密的硬碟類型，本實用新型由於晶片的原因最多支持四個SATA接口。
[0038]以上所述僅是本實用新型的較佳實施例而已，並非對本實用新型作任何形式上的限制，雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本實用新型，任何熟悉本專利的技術人員在不脫離本實用新型技術方案範圍內，當可利用上述提示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本實用新型方案的範圍內。
【權利要求】
1.一種PC1-E加密卡，其特徵在於:包括插接在電路板(16)上的FPGA主控模塊(I)、PC1-E接口(4)、SATA控制模塊(9)、加密插槽(15)，SATA接口(6)、轉接口(7)、有線網絡接口(12)、網絡接口(13)、DSP控制晶片⑵、數字物理噪聲源晶片(3)、加密模塊(5)、FLASH模塊(10)和5V電源模塊(11)， 所述FPGA主控模塊(I)分別與所述SATA控制模塊(9)、所述加密插槽(15)、所述加密模塊(5)和所述5V電源模塊(11)分別連接； 所述FPGA主控模塊(I)還通過所述DSP控制晶片(2)分別與所述數字物理噪聲源晶片(3)、所述PC1-E接口 (4)和所述FLASH模塊(10)連接； 所述FPGA主控模塊(I)還通過所述網絡接口(13)與所述有線網絡接口(12)連接； 所述SATA控制模塊(9)分別與所述SATA接口(6)和所述轉接口(7)連接； 所述PC1-E接口(4)、所述SATA接口(6)和所述轉接口(7)分別與計算機連接； 所述FPGA主控模塊(I)還可以與所述FLASH模塊(10)直接連接， 所述FPGA主控模塊(I)採用Spartan系列晶片或Virtex系列晶片,所述SATA控制模塊(9)採用Sil3114CT176晶片，所述DSP控制晶片(2)採用TI的TMS320系列晶片；所述數字物理噪聲源晶片(3)採用WNG系列的WNG-4晶片；所述加密模塊(5)採用同方的TF32A09晶片；所述有線網絡接口(12)為RJ45接口 ；所述網絡接口(13)採用DM9102HEP晶片。
2.根據權利要求1所述的一種PC1-E加密卡，其特徵在於:所述加密插槽(15)為連接加密晶片的印刷電路，所述加密插槽(15)有4個，可插接不同的加密晶片。
3.根據權利要求2所述的一種PC1-E加密卡，其特徵在於:所述的SATA接口(6)有2_4個，且分別針對不同的使用規範。
4.根據權利要求3所述的一種PC1-E加密卡，其特徵在於:還包括可插接無線網絡的無線網絡接口(14)，所述無線網絡接口(14)採用RaLink的3070系列晶片，所述無線網絡接口(14)與所述FPGA主控模塊⑴連接。
5.根據權利要求4所述的一種PC1-E加密卡，其特徵在於:所述加密卡上設置有外置USB接口(8)，所述USB接口⑶與所述FPGA主控模塊⑴連接。
6.根據權利要求1-5所述的任意一種PC1-E加密卡，其特徵在於:所述各模塊之間的連接是通過所述電路板(16)上的印刷電路連接。
【文檔編號】G06F21/77GK204066121SQ201420357928
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年6月30日 優先權日:2013年10月31日
【發明者】藺殿軍, 劉洋, 王俊 申請人:中國大唐集團財務有限公司