基于FPGA的低延迟Grain-128a算法设计与实现

发布时间：2020-09-30 11:40

　　 随着无人机技术的发展和制造成本的降低,无人机不仅应用于军事领域,在农林植保、电力巡检、警用执法、影视航拍等民用领域都取得了广泛的应用。传统的无人机主要通过WiFi、蓝牙、数字电台等方式进行图像传输。由于受到国家无线电法规的限制,无人机图像传输系统的通信距离一般不超过3公里,越来越难以满足无人机应用的需求。基于4G网络构建无人机图像传输系统可以极大地扩大通信距离,提高通信速率和通信可靠性,实现对无人机的远程控制。研发基于4G移动网络的无人机图像传输技术有望在未来的无人机市场竞争中占领先机。研发基于4G移动网络的无人机图像传输系统时,需要关注传输数据的安全问题。本文关注基于4G移动网络的无人机视频传输系统的信息安全问题,设计了基于Grain-128a算法的流加密系统,基于FPGA实现流加密系统的加密模块和解密模块,为基于4G移动网络的无人机图像传输系统提供数据加密功能。主要包括以下内容:(1)根据基于4G移动网络的无人机图像传输系统数据加密需求,基于Grain-128a算法设计低延迟的流加密方案,在FPGA上实现流加密系统,在数据丢包情况下实现低延迟数据加密功能。(2)设计基于密钥流生成器的密钥更新方案,采用密钥流作为新密钥,定期更新密钥流生成器的密钥,节省了硬件开销,提高了流加密系统的安全性。设计了一个密钥更新协议,保证加密模块和解密模块同步地更新密钥。(3)设计了两个密钥流同步方案,保证数据丢包后可以正常进行数据加密。基于UDP的密钥流同步方案不会造成额外数据损失,在数据丢包后保证收到的数据都能和密钥流保持同步,但需要与密文数据网络传输过程配合实现;完全独立的的密钥流同步方案不关心密文数据的网络传输过程,独立性好,但是在数据丢包后接收的第一个数据包中,同步标识符之前的数据无法实现和密钥流同步,有额外数据损失。基于Gilbert模型对网络丢包情况进行了分析,确定了密钥流同步方案的参数和性能。(4)使用Vivado自带的仿真器对流加密系统进行功能仿真,在FPGA开发板上验证流加密系统的数据加密功能和密钥流同步功能,在无人机图像传输系统中进行视频加密测试。经过仿真和测试,本文设计的基于Grain-128a算法的流加密系统可以在数据丢包情况下实现密钥流的快速同步,实时性好,满足基于4G移动网络的无人机图像传输系统的数据加密功能需求。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279;TN919.8
【部分图文】：

图5.1 8 倍速密钥流生成器仿真图图5.2 8 倍速密钥流生成器局部仿真图（2）32 倍速的 Grain-128a 密钥流生成器的功能仿真使用测试向量（1）中的 key 和 iv 对 32 倍速的 Grain-128a 密钥流生成器进行仿真，仿真结果如图 5.3 所示。密钥流生成器在 load 信号发出后开始加载密钥进行初始化，由计数器 cnt_8 对初始化过程进行计数，8（256/32=8）个时钟周期后密钥流生成开始输出密钥流，rdy 为密钥流输出有效信号。局部仿真图如图 5.4 所示，密钥流生成器初始化完成后生成的密钥流为 c0207f221660650b6a952ae26586136f……，与测试向量（1）给出密钥流相同，32 倍速的 Grain-128a 密钥流生成器的功能正确。

图5.2 8 倍速密钥流生成器局部仿真图（2）32 倍速的 Grain-128a 密钥流生成器的功能仿真使用测试向量（1）中的 key 和 iv 对 32 倍速的 Grain-128a 密钥流生成器进行仿真，仿真结果如图 5.3 所示。密钥流生成器在 load 信号发出后开始加载密钥进行初始化，由计数器 cnt_8 对初始化过程进行计数，8（256/32=8）个时钟周期后密钥流生成开始输出密钥流，rdy 为密钥流输出有效信号。局部仿真图如图 5.4 所示，密钥流生成器初始化完成后生成的密钥流为 c0207f221660650b6a952ae26586136f……，与测试向量（1）给出密钥流相同，32 倍速的 Grain-128a 密钥流生成器的功能正确。

图5.1 8 倍速密钥流生成器仿真图图5.2 8 倍速密钥流生成器局部仿真图（2）32 倍速的 Grain-128a 密钥流生成器的功能仿真使用测试向量（1）中的 key 和 iv 对 32 倍速的 Grain-128a 密钥流生成器进行仿真，仿真结果如图 5.3 所示。密钥流生成器在 load 信号发出后开始加载密钥进行初始化，由计数器 cnt_8 对初始化过程进行计数，8（256/32=8）个时钟周期后密钥流生成开始输出密钥流，rdy 为密钥流输出有效信号。局部仿真图如图 5.4 所示，密钥流生成器初始化完成后生成的密钥流为 c0207f221660650b6a952ae26586136f……，与测试向量（1）给出密钥流相同，32 倍速的 Grain-128a 密钥流生成器的功能正确。

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本文编号：2830793