admin 近年来GPS(全球定位系统)系统以其高精度的定位、测速和定时功能得到了广泛的应用。GPS接收模块安装在车辆、轮船等运输工具上，驾驶人员可以实时了解车辆所处的地理位置，辅助车辆的导航、定位，在一些特殊情况下，需要在外部对一些重要的移动目标进行监控，及时掌握其移动情况，对其指挥和导航。这就需要一套全球定位信息传输系统，把地理位置及其它相关信息经无线信道传输到指挥中心。在目标出现位置、状态异常等情况时，指挥中心能够及时掌握这些信息，并做出响应，由于经无线信道传输的信息很容易放恶意的截获，因此需要采取一定加密手段，提高中心和移动目标之间通信的安全性，本文设计了由一台中心计算机和一组终端模块组成的GPS信息加密传输系统，实现移动目标的GPS信息采集和加密传输。
一、系统总体架构
整个GPS信息加密传输系统由一个中心计算机和一组定位信息加密传输模块（简称终端模块）两大部分组成，如图1所示。
中心计算机处于指挥中心，位置固定，负责信息的接收、显示、导航、密钥分发等系统管理任务。终端模块安装在移动的目标上，主要由GPS模块、CDMA无线通信模块和基于FPGA的控制模块组成，它利用无线信道在规定的时间间隔内向中心计算机发送加密后的GPS数据及其它相关信息。目前，无线通信系统{要有GPRS和CDMA两种，其中CDMA在传输数率、频率资源、抗干扰能力、安全保密等方面都有较大优势。因此，在本系统中指挥中心和终端模块之间采用CDMA实现无线通信。
二、定位信息加密传输模块设计
在整个系统中，定位信息加密传输模块是本系统设计的关键。中心计算机主要由一台计算机、一组尤线通信模块和相关的管理软件组成，下面主要讨论定位信息加密传输模块的设计方法。
1、硬件总体架构
信息加密传输模块安装在移动目标上，体积、功耗、防震动等对其稳定工作非常重要。而可编程片上系统(SOPC)技术结合了SOC和可编程逻辑器件的优点，一般具备以下基本特征：
(1)至少包含一个嵌入式处理器内核；
(2)具有小容量片内高速RAM资源；
(3)丰富的IP Core资源可供选择；
(4)足够的片上可编程逻辑资源；
(5)处理器调试接口和FPGA编程接口；
(6)包含部分可编程模拟电路；
(7)单芯片、低功耗、小封装。
因此采用SOPC技术对于缩小系统体积、功耗，并提高系统可靠性很有帮助。本文基于Altera的SOPC技术，设计环境是SOPC Builder，它集成在Altera公司的QuartusⅡ工具中。通过SOPC Builder用户可以从Altera提供的IP库中选取一些组件，如处理器、SDRAM、Flash、各种I/O等，并可灵活配置各组件的参数。另外，SOPC Builder有个尤为重要的功能：如果IP库中没有用户要求的特殊功能，则用户可以加入自定义的逻辑来实现。
定位信息加密传输模块的核心部分由一片内嵌Niosll处理器以及密码算法模块的FPGA芯片来实现，该芯片实现了整个模块的控制以及定位信息的加解密操作，其结构如图2所示。
GPS模块用于定位信息的采集：CDMA模块用于信息的无线发送和接收：键盘主要用于密钥的保护，也可根据需要输入一些其它要发送的信息：显示模块主要显示系统的工作状态，并以图形方式显示当前模块所处的位置：Flash和SRAM主要用于存储和运行程序；同时还可以利用SOPC良好的扩展性，添加其它接口，采集移动设备的其它信息（例如车辆运行状态等）加密传输到指挥中心。
目前，市场上的大部分GPS接收模块都是通过RS232串口与MCU进行数据传输的。这些数据包括经度、纬度、海拔高度、时间、卫星使用情况等基本信息。开发人员再依据这些基本数据，进行数据处理来完成整套的定位系统软件。本系统采用了Motorola公司生产的M12接收板，它提供了Motorola二进制和NMEA0183两种命令格式，以方便用户编程。CDMADTU(data transmit unit，数据传输单元)是基于CDMA无线公网开发的数据传输设备，内嵌完整的TCPfIP协议，为不具备TCP/IP协议处理的终端设备提供无线通信能力，使用标准RS232接口和其它设备连接，具有功耗低、体积小的特点。本系统选用了深圳市盈科互动科技有限公司串口CWT3000-CSC3DTU。该模块提供了标准的RS-232接口，支持完整的TCP/UDP/IP/PPP协议。
Altera公司为其SOPC提供了大量接口模块，可以很方便地连接上述模块，而无需在电路板上提供专门的接口芯片，大大缩小模块的体积和功耗。GPS模块和CDMA DTU分别通过串口与控制模块的NiosU处理器相连接，键盘和LCD显示模块通过PlO(并行接口)接口和Niosll处理器相连接。同时，由于采用SOPC技术和成熟的GPS、CDMA模块，用户可以通过编程很方便地对各个内外部模块进行控制。
根据设计的总体结构，定位信息加密传输模块选择在DE2开发扳上搭建。DE2为用户提供了丰富的外设及多媒体特性，井具有灵活而可靠的外围接口设计。DE2平台的设计和制造完全按照工业产品标准进行，可靠性很高。平台上提供的资源如下：
(1)Akera Cyclonell系列的EP2C35F672C6 FPGA，内含35000个逻辑单元(LE)；
(2)板上内置用于编程调试和用户API设计的USB Blas-ter，支持JTAG模式和AS模式；
(3)512K字节SRAM；
(4)8M字节SDRAM；
(5)两个扳上时钟源(50MHz晶振和27MHz晶振)；
(6) 4M字节Flash。
(7) RS232收发器。
由上述可以看出，DE2开发板丰富的资源正好满足本设计的要求，定位信息加密传输模块的SOPC设计如图3所示。
2、保密通信流程及密钥管理方案
该模块主要负责将移动设备的位置、状态等信息加密后传送到指挥中心，其中GPS模块每秒接收一组定位信息，设备状态信息则主要反映设备运行状态、故障信息等。因此，每次传输的数据量不是很大，但传输次数比较频繁（根据需要设定一定间隔时间）。为了保证系统安全性，除了数据传输任务之外，模块还应支持其它一些管理功能，例如模块启动时需要向中心注册、采用适当的密钥管理策略等。
针对上述特点，本系统采用了对称密码算法和公钥算法相结合的方法实现保密通信，即利用对称密码算法进行信息加密，利用RSA签名算法实现注册和会话密钥更新。对称密码算法选用高级加密标准AES128，即分组长度和密钥都为128位。公钥算法选用RSA算法，是被广泛接受并实现的通用公钥密码算法，目前已成为公钥密码的国际标准。
值得注意的是，由于在移动设备静止不动时，会多次发送相同信息，很容易受到攻击，防止此类攻击，采用CBC(密码分组链接)模式实现AES．它使得当同一明文分组重复出现时，产生不同的密文分组。所谓密码分组链接模式，即加密函数的输入是当前明文分组和前一密文分组的异或，每个明文分组加密函数的输入与明文分组之间不再有固定的关系，因此不会再出现相同明文得到相同的密文。
密钥管理采用分级管理方法，需要定义3种密钥，即主密钥MK(main key)、密钥加密密钥KEK即公私钥对(Key Encrypt-Kcy)和会话密钥(convcrsation kcy)。主密钥用于保护模块私钥，公私钥对主要用于会话密钥的传送和保护，会话密钥用于保护终端系统和中心计算机间的通信消息。模块启用时，由指挥中心的密钥管理软件为模块分发主密钥、模块公私钥对。
为了提高系统的安全性，会话密钥为几话（由整个系统统一设定）一密，即每隔一定时间由指挥中心更新一次会话密钥。为了防止模块丢失时，威胁系统的安全，主密钥分割为存储在模块内部(Flash存储器)的密钥和两个口令（由两个人通过键盘输入）3个部分。
模块的详细工作流程如下：
(1)系统初始化
系统启动，工作人员通过键盘注入主密钥的另外两个分量，经过运算组合成主密钥。
(2)注册
①利用中心的公钥，向中心发出申请注册：②收到注册申请后，中心利用模块的公钥，发回一个确认：③模块收到后利用自己的私钥解密后，利用中心的公钥将确认返回；④中心收到后注册成功。
(3)更换会话密钥（每隔几分钟一次）
①中心计算机用模块的公钥，利用RSA公钥算法将新的会话密钥加密，然后再将上述加密后数据用现在的会话密钥利用AES算法加密，最后利用CDMA信道传输到模块：②终端模块收到上述信息后，先用现在的会话密钥利用AES算法解密，然后再用自己的私钥调用RSA解密，得到新的会话密钥。
(4)信息保密传输
终端模块获取地理位置、设备状态等信息后，利用会话密钥加密，最后利用CDMA信道传输到指挥中心，指挥中心接收信息后，利用会话密钥解密，发回一个确认，然后进行后处理。
三、密钥管理
1、主密钥的注入
在使用该系统前，首先进行主密钥的注入。终端系统上的主密钥为128bit，由两部分组成。在系统的存储器中存有前64bit，终端系统的用户执有的USB硬件设备中存有后64bit，二者通过由键盘输入的口令验证后结合为主密钥，如图4所示。
存储器中存有96bit数据，前64bit为主密钥的前64bit，后32bit为验证码；USB设备中存有的96bit数据，前64bit为主密钥的后64bit，后32bit为验证码，用户口令为32bit。系统使用前，用户从司令部得到USB设备和口令，将USB设备插入终端系统并输入口令后，系统判断存储器和USB设备中的验证码和口令三者相同时，使USB设备中的密钥注入终端系统，将前64bit主密钥和后64bit主密钥合并构成128bit主密钥。若系统判断存储器和USB设备中的验证码和口令三者不相同，则再次提示用户再次输入口令，若输入三次均错误。则存储器中的密钥销毁，96bit数据赋为全“O”，同时程序退出，使系统不能继续使用。
2、密钥加密密钥分发方案
密钥加密密钥用于保护会话密钥，而其本身被主密钥保护。以终端A为例说明密钥加密密钥的分发，步骤如下：
终端A的主密钥注入完成后，向中心计算机s发送用主密钥朋配加密（采用AES加密算法）的密钥加密密钥请求报文A,S,KEK_request,RalMKa，中心计算机收到后向终端A发送应答报文{A,S,KEKa,rA｝，终端A收到并用主密钥解密后即可得到密钥加密密钥KEK。见为A以当前时间作为种子产生的随机数，以保证密钥加密解密的新鲜性。
3、会话密钥协商
主密钥注入、密钥加密密钥分发完成后，进行会话密钥的协商。终端A和中心计算机S的会话密钥协商步骤如下：
其中，RA、RS分别是A和S产生的随机散，总是中心计算机产生的会话密钥种子，KEKA为终端A和中心计算机S共享的密钥加密密钥。KAS是本次协商产生的会话密钥，f函数是一种啥希函数，其强度关系到整个系统的安全强度。
四、SOPC内部实现
采用SOC技术的最大好处是可以根据需要合理地进行软硬件划分，以提高系统的性能价格比。
软件实现简单、成本低，但速度较慢，硬件实现速度快，但需要占用相应的硬件资源，以提高系统的运行速度。Altcra公司提供了SOPC Builder。Quartusll等基于Akcra FPGA的SOPC开发，软件开发采用汇缎或C语言编程实现，硬件设计则采用VHDL或Verilog硬件描述语言实现。
本系统中SOPC的主要任务是完成上述初始化、注册、密钥更新、信息传输等，其中AES、RSA密码算法属运算密集性，有软、硬件两种实现方案，由于定位信息只需每隔几分钟传输一次，因此，加解密传输速度不需要太高，网此AES和RSA密码算法全部采用软件编程实现，并由Nios处理器实现。由于Altera公司的SOPC Builer提供了大量接口模块，本系统中GPS模块、CDMA模块、键盘、LCD、Flash和SRAM等所需的接口AJtcra公司都以IP模块形式提供，因此，SOPC设计中不需要用硬件描述语言设计专门的SOPC内部硬件模块，主要是进行软件设计。
系统软件主要由主控程序、注册子程序、会话密钥交换子程序，信息发送子程序、GPS管理子程序和CDMA管理子程序、显示子程序、键盘扫描子程序以及AES和RSA密码算法子程序等部分组成．由于Altcra公司的Niosll IDE（集成开发环境）为其Niosll处理器软件开发提供了完善的开发环境，主要包括汇编器、C语言编译器、模拟器、调试器、函数库等，因此，整个模块软件全部采用C语言在NiosIIIDE环境中开发和调试．各个部分的功能如下：
(1)主程序。完成系统的初始化，形成主密钥、解密私钥保存在RAM中，初始化显示等。
(2)注册子程序：调用SHA及CDMA通信模块，完成模块的注册。
(3)会话密钥交换子程序：完成会话的交换。
(4)信息传输：完成一次定位信息的保密传输（定时调用）。
(5)GPS管理子程序：负责从GPS接收模块读取数据，并进行适当处理。
(6)CDMA管理子程序z负责与CDMA模块的交互，发送和接收数据。
(7)显示予程序：系统状态显示、键盘输入显示、当前位置的图形显示、时间显示等。
小知识之SPC
System-on-a-Programmable-Chip，即可编程片上系统。 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。
