基于NetFPGA10G的网络数据包加密实现及其低功耗研究

发布时间：2020-05-14 19:30

【摘要】：第五代移动通信系统的发展,以及云计算、物联网的应用,对下一代通信网络架构的功能和性能提出了更多的要求。越来越多的个人云服务的应用对网络安全提出了新的挑战,传统的基于软件层面的网络数据加密方式不足以满足下一代网络体系对传输速率的需求;同时,由于物联网的发展而产生的越来越多的网络终端,使得网络节点的低功耗研究对绿色网络的实现同样具有举足轻重的意义。本文基于以上背景,利用硬件实现加密算法的方式,在Net FPGA 10G板卡的Open Flow交换机中,完成了高速网络数据包加密系统的设计。同时,对不同的加密方法和不同的硬件优化方法进行功耗分析与优化,研究了算法硬件实现的低功耗设计方式。论文的主要工作及贡献包括:在高速网络安全通信方面,本文对AES加密算法和Present算法的原理、硬件实现与安全性等方面展开研究,使用轻量级加密算法Present对网络数据包进行加密,利用Verilog HDL语言对算法进行硬件实现。在Open Flow交换机架构下,利用高速AXI总线将算法与Net FPGA工程做连接,用流水线结构的优化方式实现了数据吞吐量为10Gbit/s的高速网络数据包加密系统。实现的数据包加密系统有助于提升当前以软件的方式加密网络数据包的速率和性能,并且通过国际合作,在欧盟INPUT项目中得到成功应用。在算法低功耗硬件实现及优化方面,本文在算法级、系统级与RTL级对数字集成电路的低功耗方法研究基础上,完成了基于FPGA的功耗测量平台的软硬件设计,并用于电路功耗分析;提出了一种在算法级优化AES加密的方法,对优化前后的算法电路进行功耗分析,实验结果表明其逻辑资源使用量比优化前下降了11%,功耗降低了5%;将Present算法在硬件层面进行了功耗优化,一定应用场景下,终端节点的加密算法电路功耗降低最大可达20%-30%;对比了不同算法、不同结构的电路的功耗,用实际测量的数据分析了电路工作频率、数据吞吐率、逻辑资源使用量对电路功耗的影响。相关工作和结论已用于实际的工程项目中,同时相关研究成果在第七届大学生集成电路大赛全国总决赛中获得了特等奖的成绩。
【图文】：

基本架构,个人服务,硬件加密

杭州电子科技大学硕士学位论文平线 2020 计划资助的一个研究项目，该项目研究着眼于为下一代互联网个人服务设计一个使用范例，基于当前网络性能存在的瓶颈重新定义整个网络系统并基于 SDN 架构的边缘计算方式为个人云服务中的隐私数据进行加密。该项成功利用了软件定义网络的相关优势，同时研究了基于网络节点硬件加密的安通信模式。

系统架构

第二章 NetFPGA 10G 开发平台介绍本章主要研究两代 NetFPGA 开发板的原理、应用场景、开发方式，首先个 NetFPGA 开发环境（包括硬件数据层与驱动控制层）做了介绍，然后，论文研究目的，研究了 NetFPGA 数据传输层的原理、架构等内容，重点介下文要用到的 OpenFlow 交换机结构以及 AXI 总线协议，给后续开发过程中的相关技术进行解析。1 NetFPGA10G 简介伴随着 NetFPGA 开发套件在网络研究机构的流行，越来越多的网络研究者开始学习使用这个开源的开发平台。该开发套件最初只是斯坦福大学教学的 Project，该项目为通信网络研究人员提供了一个成本低而且可重复定制使硬件开发平台，，使得相关高校和网络通信研究机构在非常短的时间内开发新高性能网络架构成为可能。NetFPGA 系统架构如图 2.1 所示：
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP393.08

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