CN113839771A - 一种基于物理滤波和aes加密的以太网加密通信*** - Google Patents

一种基于物理滤波和aes加密的以太网加密通信*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***，包括以下部分：滤波器模块，在接收以太网传输的数据时，实现对电源、外界产生的干扰信号进行滤波的作用；隔离模块，从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，提高共模抑制能力，实现信号隔离作用；接口转换模块，实现将将电信号转换为以太网传输的标准电平；加密通信模块，基于AES加密算法，对接口转换模块产生的标准电平信号进行加密。本发明通过基于物理滤波和AES加密算法对以太网传输中的信号进行滤波和加密处理，实现以太网数据传输的安全保护作用。

Description

一种基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***
技术领域
本发明属于以太网通信安全领域，具体涉及一种基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***。
背景技术
近几年来，网络安全问题受到了越来越多国家和人民的关注，同时越来越多的学者开始研究和利用密码学来保证网络数据传输的安全。现在网络数据安全领域的热点研究方向主要是把密码学和网络数据加密技术相结合，这样可以很好的解决目前频频出现的网络数据传输泄露的问题。运用密码学将网络数据加密的主要方法是把发送方要传输的网络数据数据当作明文，通过某种加密算法将网络数据数据进行加密，再将密文通过互联网进行传输，这样即使有不法分子截取到加密的网络数据也无法破译，接收方接到密文后再通过解密算法对密文进行解密，最终得到原始的明文。
发明内容
本发明提供一种基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***，能够保证网络数据可以在计算机和互联网之间安全的传输。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***，包括：
滤波器模块，用于在接收以太网传输的数据时，实现对电源、外界产生的干扰信号进行滤波的作用；
隔离模块，用于从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，提高共模抑制能力，实现信号隔离作用；
接口电平转换模块，用于实现将将电信号转换为以太网传输的标准电平；
加密通信模块，基于AES加密算法，用于对接口转换模块产生的标准电平信号进行加密；
滤波器模块、隔离模块、接口电平转换模块、加密通信模块顺序连接。
作为上述方案的优选，所述滤波器模块包括顺序电性连接的以太网接口、带有共模抑制作用的网络变压器、LC型滤波器，其中，以太网接口的NC空余针脚采用BOB-smith电路设计，网络变压器的次级电路上增设对地滤波电容。
作为上述方案的优选，带有共模抑制作用的网络变压器包括第一变压器、第一共模电感、第二变压器和第二共模电感，所述第一变压器的初级一端和所述第一变压器的次级一端分别与所述以太网接口电路相连，所述第一变压器的初级另一端和所述第一变压器的次级另一端分别与所述第一共模电感相连；所述第二共模电感的初级一端和所述第二共模电感的次级一端分别与所述以太网接口电路相连，所述第二共模电感的初级另一端和所述第二共模电感的次级另一端分别与所述以太网接口电路相连；所述第一共模电感的初级中部和所述第二共模电感的初级中部接地。
作为上述方案的优选，所述隔离模块包括顺序连接的电-光转换电路、光探测器、放大电路和光-电转换电路。
作为上述方案的优选，所述接口电平转换模块采用变压器。
作为上述方案的优选，所述加密通信模块包括处理器、网卡芯片，处理器通过网卡芯片接收经接口电平转换模块转换得到的标准电平信号，并通过处理器内部自带的加密处理器基于AES加密算法进行加密。
由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：
本发明所述基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***，通过滤波电路实现对输入信号的中干扰信号的滤波，通过隔离电路对经过滤波后的电信号进行物理隔离，并通过接口电平转换电路将隔离电路输出的电信号转换为网络信号传输标准电平，通过加密通信模块基于AES加密算法将网络传输标准电平信号进行加密，提高了网络信号传输的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的整体结构原理示意图；
图2为本发明带有共模抑制作用的网络变压器的结构示意图；
图3为本发明滤波器模块的结构示意图；
图4为本发明加密通信模块的结构示意图；
图5为本发明DM9000工作原理图；
图6为本发明加密处理器的结构框图；
图7为本发明AES-CBC模式加密流程图；
图8为本发明SubBytes作用在状态矩阵上的结果示意图；
图9为本发明行移位变换示意图；
图10为本发明初始密钥的4×4矩阵；
图11为本发明密钥扩展示意图；
图12为本发明加密过程的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图12。
本实施例提供一种基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***，包括滤波器模块、隔离模块、接口电平转换模块、基于AES加密的加密通信模块。
其中：
所述滤波器模块具有提取有用信号并抑制干扰的功能，为了解决电磁兼容问题，进而满足有用信号传输的要求，在实现以太网数据传输功能时，将频谱信号分为有用频率分量和干扰频率分量，使得特定频率(工作信号)无衰减地通过。
为了抑制以太网接口(RJ45接口)通过电缆带出的共模干扰，将常规网络变压器改为接口带有共模抑制作用的网络变压器，如图2、图3所示，带有共模抑制作用的网络变压器包括第一变压器11、第一共模电感12、第二变压器13和第二共模电感14，所述第一变压器的初级一端和所述第一变压器的次级一端分别与所述以太网接口电路相连，所述第一变压器的初级另一端和所述第一变压器的次级另一端分别与所述第一共模电感相连；所述第二共模电感的初级一端和所述第二共模电感的次级一端分别与所述以太网接口电路相连，所述第二共模电感的初级另一端和所述第二共模电感的次级另一端分别与所述以太网接口电路相连；所述第一共模电感的初级中部和所述第二共模电感的初级中部接地。RJ45接口的NC空余针脚采用BOB-smith电路设计，以达到信号阻抗匹配，抑制对外干扰的作用，BOB-smith电路能实现10dB的抑制干扰作用。同时，但是由于变压器初次级线圈之间存在0～10pF的分布电容；为了提升变压器的隔离作用，在变压器的次级电路上增加对地滤波电容。在变压器驱动电源电路上，增加LC型滤波，抑制电源***带来的干扰，如图3所示。
所述隔离模块包括电-光转换电路、光探测器、放大电路和光-电转换电路组成，电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用，并将信号传递给接口电平转换模块。
所述接口电平转换模块，通过变压器，实现将电信号转换为以太网传输的标准电平。
所述加密通信模块对经接口电平转换模块转换得到的标准电平信号，通过基于AES加密算法对数据进行加密，加密通信模块总体框图如图4所示，包括处理器、网卡芯片(DM9000网卡芯片)，处理器通过网卡芯片接收经接口电平转换模块转换得到的标准电平信号，并通过处理器内部自带的加密处理器基于AES加密算法进行加密。
DM9000A是由中国台湾DAVICOM公司推出的一款拥有较高集成度的、性价比非常高的、可以与微处理器通过自带接口相连的快速以太网控制器，如图5所示。它是48管脚LQFP封装，体积非常小，支持通过I/O口的字节或者命令对DM9000A内部的存储器进行读写操作。它有一个10/100M自适应的PHY和一个4K双字节的SRAM。
MAC的主要作用是数据帧的创建以及对数据的差错检查、传送控制等。PHY是物理层接口收发器，它接收MAC传来的数据再加上校验码，按照物理层的规则进行编码然后发送到传输介质上，接收过程则相反。一般来说对DM9000A进行操作实际上就是对其内部的寄存器进行读写操作。DM9000A有三类寄存器，分别是数据寄存器、控制寄存器和状态寄存器。
本发明所选用的处理器其内部自带一个加密处理器(CRYP)，通过使用这个加密处理器中的加密核来对数据进行加/解密。加密处理器框图如6所示。
加密核中包含许多加密算法包括DES、三重DES和AES等。本发明使用的是AES加密算法对网络数据进行加密。CRYP外设为32位AHB2外设，支持DMA功能，可以使用DMA来输入或输出加密数据，提高整个加密的工作效率。由于AES算法属于块密码，每次只能加/解密128位，因此在加密之前需要对不足128位的数据进行填充。
AES加密内核由以下三个部分组成：AES加密算法(AEA：高级加密算法)、多个密钥、初始化向量或随机值。AES具有128位分组长度，并且拥有三种密钥长度，分别是128位、192位、256位，还可以自主选择加密模式，例如AES-ECB、AES-CBC等。利用AES加密核进行加密有以下几个需要注意的部分：
(1)将需要加密的网络数据输入到待加密FIFO中。
(2)由于加密通信***存储器结构采用小端模式，而网络数据采用大端模式所以在加密之前需要对要加密的数据进行大小端转换。
(3)将128位明文数据发送到AES加密核中，使用密钥(K0...K3)进行加密，如果密钥长度为128位，则密钥＝[K3 K2]；如果密钥长度为192位，则密钥＝[K3 K2 K1]；如果密钥长度为256位，则密钥＝[K3 K2 K1 K0]。
(4)根据所选择的加密模式，对明文数据进行加密，然后通过AHB2总线将密文数据传出。
加密处理器为AES算法提供了两种加密模式，分别为AES-ECB和AES-CBC模式，本发明选择AES-CBC(加密分组链接)模式，如图7所示，AES-CBC模式的加密过程如下：
(1)从IN FIFO接收到128位明文数据P后，首先进行的是数据的大小端转换，根据数据类型执行位/字节/半字交换，得到数据块Ps。
(2)用使能加密处理器之前设定好的128位初始化向量IV与数据块Ps进行异或(I＝IV⊕Ps)，得到数据块I。
(3)数据块I先与密钥(K0...K3)进行异或，然后执行字节变换、行移位、列混合等一系列的循环加密，最终得到密文O。
(4)密文O再进行一次大小端转换，根据数据类型执行位/字节/半字交换，最终得到密文C，存放到OUT FIFO中。
(5)同时密文O替换掉之前的128位初始化向量IV，成为新的初始化向量，再与第二个明文数据块进行异或运算，即完成一个明文块的加密。
AES算法采用的是对轮函数迭代的结构，其中轮函数主要有非线性层、线性混合层和密钥加层构成。非线性层进行的是非线性的字节变换，线性混合层进行的是行变换和列混合，密钥加层进行的是密钥加变换。
1.字节变换和逆字节变换
字节变换是使用S盒对状态矩阵中的每个字节进行独立的替换。字节变换在状态矩阵上的结果如图8所示。
其中S盒的构造主要通过三个步骤来完成，首先把行x列y的字节值初始化为十六进制的{xy}；然后把字节值用它的乘法逆来代替(“00”的逆还是“00”)，最后把每个字节转换成二进制的表示形式{x7,x6,x5,x4,x3,x2,x1,x0,}，然后进行如公式(1)的仿射变换。实际应用中提前生成好S盒，然后通过查表来完成字节变换。
Figure BDA0003213091730000071
2.行移位变换和逆行移位变换
行移位变换的流程是：状态矩阵的第一行不移动，第二、三、四行分别循环左移一个、两个、三个字节，如图9所示。
逆行移位变换就是行移位变换的逆变换，即状态矩阵第一行不变，第二、三、四行分别向右移动一个、两个、三个字节。
3.列混合变换和逆列混合变换
列混合变换即对状态矩阵的列进行混合变换，其流程是：首先把状态矩阵中的每一列看做GF(28)上的多项式，然后与一个固定的多项式a(x)进行模(x4+1)相乘，其中a(x)＝{03}x3+{01}x2+{01}x+{02}，用矩阵乘法来表示，如公式(2)所示。
Figure BDA0003213091730000081
逆列混合变换与列混合变换的流程类似，首先把状态矩阵的每一列看做GF(28)上的多项式，然后与多项式a(x)相对于模多项式(x4+1)的逆a-1(x)相乘，其中a-1(x)＝{0b}x3+{0d}x2+{09}x+{0e}，可以用矩阵乘法来表示，如公式(3)所示。由式(2)和(3)可以看出，逆变换矩阵与正变换矩阵的乘积恰好为单位矩阵。
Figure BDA0003213091730000082
4.轮密钥加变换
轮密钥加变换是轮密钥和状态矩阵按位进行异或的运算。其中轮密钥是通过初始密钥和轮密钥产生算法共同产生的，无论初始密钥长度是128位、192位或者256位，产生的轮密钥长度必须和加密数据的分组长度相等。轮密钥加变换的逆变换在这里就不多做解释，因为它的逆变换还是其本身。
5.密钥扩展
密钥扩展是指从初始密钥得到轮密钥的过程，轮密钥的长度等于加密轮数加1乘以分组长度。以密钥长度为128位为例，密钥扩展的流程如下：密钥长度为128位，加解密轮数即10轮，则轮密钥就有1408位。将初始密钥看做一个4×4的矩阵，如图10所示。
把该4×4矩阵的每一列，当作一个字，记为W[0]、W[1]、W[2]和W[3]，而共同构成一个数组W。例如，若初始密钥K为“qwerasdfzxcvtyui”，则K0＝‘q’，K1＝‘w’，K2＝‘e’，K3＝‘r’，W[0]＝“qwer”，W[1]、W[2]和W[3]以此类推。接着对W数组扩充40个新列，即得到一个共44列的密钥扩展数组，密钥扩展过程如图11所示。
由上图可得，若i不为4的倍数，则第i列便可以通过
Figure BDA0003213091730000091
求得；若i为4的倍数，则第i列由
Figure BDA0003213091730000092
求得，其中T是一个由字循环、字节代换和轮常量异或所组成的函数，作用分别如下：
(1)字循环：将1个字中的4个字节循环左移1个字节。即把输入字[b0,b1,b2,b3]变换成[b1,b2,b3,b0]。
(2)字节代换：把步骤(1)字循环所得到的结果，利用S盒进行一次字节代换。
(3)轮常量异或：将步骤(1)、(2)所得到的结果与轮常量Rcon[j]进行异或，其中j表示轮数，Rcon[j]＝(RC[i],’00’,’00’,’00’,’00’)，RC[i]的值如表1所示。
表1 RC[i]值表
Figure BDA0003213091730000093
AES加密算法的过程(以128位密钥长度为例)，AES加密算法可以分为10步(其加密过程的流程图如图12所示)：
(1)首先把明文数据分成以128位为一组的数据组。
(2)用128位的明文数据与轮密钥进行异或运算。
(3)用步骤2产生的数据进行字节变换。
(4)用步骤3产生的数据进行行移位变换。
(5)用步骤4产生的数据进行列混合变换。
(6)用步骤5产生的数据与轮密钥进行异或运算。
(7)步骤3-6循环执行9轮。
(8)用步骤7产生的数据进行字节变换。
(9)用步骤8产生的数据进行行移位变化。
(10)用步骤9产生的数据与轮密钥进行异或运算，最终产生128位密文数据(如果是192位或者256位密钥则步骤7中的循环分别执行11轮和13轮)。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***，其特征在于，包括：
滤波器模块，用于在接收以太网传输的数据时，实现对电源、外界产生的干扰信号进行滤波的作用；
隔离模块，用于从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，提高共模抑制能力，实现信号隔离作用；
接口电平转换模块，用于实现将将电信号转换为以太网传输的标准电平；
加密通信模块，基于AES加密算法，用于对接口转换模块产生的标准电平信号进行加密；
滤波器模块、隔离模块、接口电平转换模块、加密通信模块顺序连接。
2.根据权利要求1所述的基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***，其特征在于，所述滤波器模块包括顺序电性连接的以太网接口、带有共模抑制作用的网络变压器、LC型滤波器，其中，以太网接口的NC空余针脚采用BOB-smith电路设计，网络变压器的次级电路上增设对地滤波电容。
3.根据权利要求2所述的基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***，其特征在于，带有共模抑制作用的网络变压器包括第一变压器、第一共模电感、第二变压器和第二共模电感，所述第一变压器的初级一端和所述第一变压器的次级一端分别与所述以太网接口电路相连，所述第一变压器的初级另一端和所述第一变压器的次级另一端分别与所述第一共模电感相连；所述第二共模电感的初级一端和所述第二共模电感的次级一端分别与所述以太网接口电路相连，所述第二共模电感的初级另一端和所述第二共模电感的次级另一端分别与所述以太网接口电路相连；所述第一共模电感的初级中部和所述第二共模电感的初级中部接地。
4.根据权利要求1所述的基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***，其特征在于，所述隔离模块包括顺序连接的电-光转换电路、光探测器、放大电路和光-电转换电路。
5.根据权利要求1所述的基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***，其特征在于，所述接口电平转换模块采用变压器。
6.根据权利要求1所述的基于物理滤波和AES加密的以太网加密通信***，其特征在于，所述加密通信模块包括处理器、网卡芯片，处理器通过网卡芯片接收经接口电平转换模块转换得到的标准电平信号，并通过处理器内部自带的加密处理器基于AES加密算法进行加密。
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