[发明专利]基于FPGA的物联网络信息加密系统的实现方法

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的物联网络信息加密系统的实现方法，包括如下步骤：编代码分别实现AES密码算法模块、RSA加密算法模块、TCP/IP协议栈模块和物理不可克隆模块；分别对AES密码算法模块、RSA加密算法模块、TCP/IP协议栈模块和物理不可克隆模块进行逻辑功能的仿真验证；采用SoC FPGA器件，编写相应约束脚本，把AES密码算法模块、RSA加密算法模块、TCP/IP协议栈模块、物理不可克隆模块和约束文件导入软件开发工具，进行综合布局布线和时序分析，把配置数据文件下载到SoC FPGA器件。本发明能保证物联网信息的安全、具有更高的安全性和抗攻击能力。

技术领域

本发明涉及信息加密领域，特别涉及一种基于FPGA的物联网络信息加密系统的实现方法。

背景技术

物联网信息保密系统在与云端数据交互的过程中，数据的加解密都是在TCP/IP模型中的应用层进行的，都是采用软件的实现方式；网络协议栈的封装也都是通过内核软件的方式实现的，加密数据通过总线发送到PHY接口芯片，然后传送到云端控制端，云端控制端返回的数据也是加密的，在传送到物联网终端后利用软件实现的方式对数据进行解密，应用层拿到明文后再进行控制信息的响应，依次运行下去。如图1所示，在TCP/IP模型中，网络信息的数据封装是从应用层开始的，首先由应用层加密网络数据，然后依次传送到传输层、网络层、数据链路层和物理层，经过协议层的层层封装最后转换为二进制比特流信号，在传输介质中传送到目的主机，协议层的封装都是采用的软件方式实现的。

由于物联网终端的资源有限，采用处理器软件串行实现的方式，网络信息数据交互较慢，会占用较多的处理器资源，造成信息处理的拥堵；技术难点在于在资源有限的物联网终端中如何提高信息数据处理的吞吐量和并行加密速度；由于软件本身的特点，采用软件实现的方式很容易被黑客攻击、跟踪、调试和反编译等，成为保密系统的安全瓶颈；技术难点在于如何提高系统的抗攻击能力和安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种能保证物联网信息的安全、具有更高的安全性和抗攻击能力的基于FPGA的物联网络信息加密系统的实现方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于FPGA的物联网络信息加密系统的实现方法，包括如下步骤：

A)根据AES对称密码算法ECB模式的数学理论描述，结合硬件描述语言和系统总线AMBA从模块的时序，采用二级流水线的方式，按照每轮的运算流程实现AES密码算法模块；

B)根据RSA的数学原理，采用蒙哥马利模乘算法和5级流水线的设计实现2048比特的RSA加密算法模块，并实现AMBA从模块的时序；

C)根据以太网络帧的封装格式，用Verilog HDL实现用于对传输层、网络层和数据链路层的封包与解包的TCP/IP协议栈模块，通过硬件实现PHY驱动模块；所述PHY驱动模块封装在所述TCP/IP协议栈模块的内部；

D)采用二路选择器实现64级仲裁器PUF电路，将所述64级仲裁器PUF电路和表决器电路进行结合，实现物理不可克隆模块；

E)编写实现底层接口函数；

F)编写相应的testbench测试激励文件，分别对所述AES密码算法模块、RSA加密算法模块、TCP/IP协议栈模块和物理不可克隆模块进行逻辑功能的仿真验证，检验其设计的功能是否正确；

G)分别对所述AES密码算法模块、RSA加密算法模块、TCP/IP协议栈模块和物理不可克隆模块的顶层模块进行逻辑功能的仿真验证，检验整体设计的功能是否正确；

H)在时序验证通过以后，编写ARM应用层C语言测试程序，对所述底层接口函数的正确性进行调试和测试，同时分别针对所述AES密码算法模块、RSA加密算法模块、TCP/IP协议栈模块和物理不可克隆模块编写测试用例，校验模板整体的正确性；