【摘要】：第五代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展,以及云計算、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用,對下一代通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的功能和性能提出了更多的要求。越來越多的個人云服務(wù)的應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)安全提出了新的挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的基于軟件層面的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密方式不足以滿足下一代網(wǎng)絡(luò)體系對傳輸速率的需求;同時,由于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而產(chǎn)生的越來越多的網(wǎng)絡(luò)終端,使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的低功耗研究對綠色網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)同樣具有舉足輕重的意義。本文基于以上背景,利用硬件實現(xiàn)加密算法的方式,在Net FPGA 10G板卡的Open Flow交換機中,完成了高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包加密系統(tǒng)的設(shè)計。同時,對不同的加密方法和不同的硬件優(yōu)化方法進行功耗分析與優(yōu)化,研究了算法硬件實現(xiàn)的低功耗設(shè)計方式。論文的主要工作及貢獻包括:在高速網(wǎng)絡(luò)安全通信方面,本文對AES加密算法和Present算法的原理、硬件實現(xiàn)與安全性等方面展開研究,使用輕量級加密算法Present對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進行加密,利用Verilog HDL語言對算法進行硬件實現(xiàn)。在Open Flow交換機架構(gòu)下,利用高速AXI總線將算法與Net FPGA工程做連接,用流水線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)吞吐量為10Gbit/s的高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包加密系統(tǒng)。實現(xiàn)的數(shù)據(jù)包加密系統(tǒng)有助于提升當前以軟件的方式加密網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的速率和性能,并且通過國際合作,在歐盟INPUT項目中得到成功應(yīng)用。在算法低功耗硬件實現(xiàn)及優(yōu)化方面,本文在算法級、系統(tǒng)級與RTL級對數(shù)字集成電路的低功耗方法研究基礎(chǔ)上,完成了基于FPGA的功耗測量平臺的軟硬件設(shè)計,并用于電路功耗分析;提出了一種在算法級優(yōu)化AES加密的方法,對優(yōu)化前后的算法電路進行功耗分析,實驗結(jié)果表明其邏輯資源使用量比優(yōu)化前下降了11%,功耗降低了5%;將Present算法在硬件層面進行了功耗優(yōu)化,一定應(yīng)用場景下,終端節(jié)點的加密算法電路功耗降低最大可達20%-30%;對比了不同算法、不同結(jié)構(gòu)的電路的功耗,用實際測量的數(shù)據(jù)分析了電路工作頻率、數(shù)據(jù)吞吐率、邏輯資源使用量對電路功耗的影響。相關(guān)工作和結(jié)論已用于實際的工程項目中,同時相關(guān)研究成果在第七屆大學生集成電路大賽全國總決賽中獲得了特等獎的成績。
【圖文】：

杭州電子科技大學碩士學位論文平線 2020 計劃資助的一個研究項目，該項目研究著眼于為下一代互聯(lián)網(wǎng)個人服務(wù)設(shè)計一個使用范例，基于當前網(wǎng)絡(luò)性能存在的瓶頸重新定義整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并基于 SDN 架構(gòu)的邊緣計算方式為個人云服務(wù)中的隱私數(shù)據(jù)進行加密。該項成功利用了軟件定義網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)優(yōu)勢，同時研究了基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件加密的安通信模式。

第二章 NetFPGA 10G 開發(fā)平臺介紹本章主要研究兩代 NetFPGA 開發(fā)板的原理、應(yīng)用場景、開發(fā)方式，首先個 NetFPGA 開發(fā)環(huán)境（包括硬件數(shù)據(jù)層與驅(qū)動控制層）做了介紹，然后，論文研究目的，研究了 NetFPGA 數(shù)據(jù)傳輸層的原理、架構(gòu)等內(nèi)容，重點介下文要用到的 OpenFlow 交換機結(jié)構(gòu)以及 AXI 總線協(xié)議，給后續(xù)開發(fā)過程中的相關(guān)技術(shù)進行解析。1 NetFPGA10G 簡介伴隨著 NetFPGA 開發(fā)套件在網(wǎng)絡(luò)研究機構(gòu)的流行，越來越多的網(wǎng)絡(luò)研究者開始學習使用這個開源的開發(fā)平臺。該開發(fā)套件最初只是斯坦福大學教學的 Project，該項目為通信網(wǎng)絡(luò)研究人員提供了一個成本低而且可重復(fù)定制使硬件開發(fā)平臺，，使得相關(guān)高校和網(wǎng)絡(luò)通信研究機構(gòu)在非常短的時間內(nèi)開發(fā)新高性能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成為可能。NetFPGA 系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2.1 所示：
【學位授予單位】：杭州電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP393.08

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本文編號：2663825