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实时数字安全处理器研究与设计

2020-11-23阅读(459)

实时数字安全处理器研究与设计

论文摘要

数据安全涉及存储安全、网络安全与视频/图像安全三大领域。在每个安全领域都存在若干种协议,例如针对网络安全的IPSec协议,针对JPEG2000图像的JPSEC等等;而协议是以底层的算法为支撑的,例如无论IPSec还是JPSEC都利用加密算法,认证算法或者密码学中的其它算法来实现相关内容的安全性。由此可知,密码学中的算法是安全协议的基石,而安全协议又是相关安全领域的基础。 安全算法建立在计算复杂度与单项处理函数理论基础之上,如果不能有效实现则很可能成为系统的瓶颈。因此采用硬件加速的方式是非常有必要的。 实时的安全芯片的设计将面临许多需要同时满足的相互冲突的设计挑战与约束,例如: - 安全性,一种针对数字安全协议的处理器实现需要达到系统所要求的安全性; - 实时性,安全性的实现不能降低系统的性能; - 实现系统需满足环境施加的物理约束（尺寸,重量与功耗）。 总之,在进行安全芯片的设计时,我们不仅要考虑使用的协议满足安全性,更要考虑这些算法的运算量和实现复杂度。 在目前的IC工艺与条件下,使用FPGA等VLSI硬件实现安全协议,是最有可能满足系统安全性,实时性的方案。因此,论文研究工作的动机和目标是:针对存储安全、网络安全与视频/图像安全设计优化协议;其次是提出合理的SOC结构,最大可能降低所设计系统的资源使用量,从而最终实现性能均衡优化的安全芯片。 通过论文的工作,我们取得了一些相当有意义的结果,主要包括: 1、提出了可以实现存储安全的一个整体方案; 2、设计了一种称为直通转发的安全存储结构,理论分析和实际测试表明该结构可以在不降低系统性能的前提下,达到存储系统的安全性要求; 3、提出了一种称为Flow-Through的网络安全实现结构,理论分析和实际测试表明该结构相对于目前已有的安全实现结构在性能上有很大的提升。 4、提出了一种用于JPEG2000的选择性加密算法,可以在只对压缩码流的15%进行加密的情况下达到JPEG2000码流的安全性; 5、设计和实现了数字电影中JPEG2000数据码流数字版权保护的FPGA原型平台; 6、提出了一种基于IPSec进行JPSEC设计与实现的方案,并依据此方案提出了JPSEC的几项提议。 论文中这些结果的取得,首先对数字安全领域的相关协议制定,体系结构设计与相应的实现有很大的促进作用;另外,论文使用的应用、协议、算法与体系结构结合优化设计的专用信号处理器设计思想能给其它高性能专用处理器设计以参考和借鉴。

论文目录

  • 缩略词
  • 目录
  • 图目录
  • 表目录
  • 第一章 引言
  • 1.1 本论文问题的提出
  • 1.1.1 网络安全、存储安全以及视频安全的意义
  • 1.1.2 安全技术在存储、网络以及视频领域的不平衡发展
  • 1.1.3 安全技术的自主创新与设计具有重要的国防意义
  • 1.2 本论文的研究路线
  • 1.3 本论文的主要贡献
  • 1.4 本论文的内容组织
  • 第二章 数字安全协议、算法及芯片
  • 2.1 数字安全算法介绍
  • 2.2 数字安全协议介绍
  • 2.2.1 网络安全协议
  • 2.2.1.1 物理层安全协议
  • 2.2.1.2 数据链路层安全协议
  • 2.2.1.3 网络层安全协议
  • 2.2.1.4 传输层的安全协议
  • 2.2.1.5 应用层的安全协义
  • 2.2.2 存储安全协议
  • 2.2.3 媒体（图像/视频）安全协议
  • 2.3 数字安全芯片介绍
  • 第三章 存储安全协议研究与设计
  • 3.1 加密存储的意义
  • 3.2 存储与通信在安全上的比较（1）
  • 3.3 存储与通信在安全上的比较（2）
  • 3.3.1 相似性
  • 3.3.2 相异性
  • 3.4 针对不同存储类型的不同实现
  • 3.5 P1619进展
  • 第四章 存储安全实时芯片研究与设计
  • 4.1 Safia（Security Architecture For Intelligent Attachment Device）
  • 4.2 概论
  • 4.3 算法的选择与实现
  • 4.3.1 FPGA实现与结果
  • 4.4 存储转发（Store-and-Forward）结构与直通转发（Cut Through）结构
  • 4.4.1 加密模式
  • 4.4.2 存储转发结构
  • 4.4.3 直通转发结构
  • 4.4.4 两种结构比较
  • 4.5 密钥管理
  • 4.5.1 密钥扩展技术
  • 4.5.2 密钥替换
  • 4.6 实现
  • 4.6.1 调试环境
  • 4.6.2 快速CRC计算
  • 4.6.3 密钥存储
  • 4.6.4 PATA vs. SATA vs. SCSI
  • 4.6.5 ATA控制器的实现
  • 4.7 结论
  • 4.8 一点体会
  • 第五章 网络安全协议研究与分析
  • 5.1 TCP/IP协议的体系结构与相关安全协议
  • 5.1.1 数据链路层及其安全协议
  • 5.1.2 数据链路层及其安全协议
  • 5.1.3 传输层及其安全协议
  • 5.1.4 传输层及其安全协议
  • 5.2 IPSec与SSL的技术比较
  • 5.3 IPSec协议详细介绍
  • 5.3.1 SA、SPD与SAD
  • 5.3.2 认证头协议
  • 5.3.3 封装安全载荷协议
  • 5.3.4 IKE（Internet Key Exchange Protocol）
  • 5.4 小结
  • 第六章 网络安全实时芯片研究与设计
  • 6.1 IPSec协议实现及其现状分析
  • 6.1.1 IPSec实现策略
  • 6.1.2 软件实现分析
  • 6.1.2.1 基于Windows的IPSec软件实现
  • 6.1.2.1.1 OS集成方案
  • 6.1.2.1.2 基于NDIS（Network Driver Interface Specification）的实现
  • 6.1.2.2 基于Linux的IPSec软件实现
  • 6.1.2.2.1 Freeswan实现
  • 6.1.2.2.2 USAGI（Universal Playground for Ipv6）实现
  • 6.1.2.3 基于*BSD的IPSec软件实现
  • 6.1.2.3.1 KAME
  • 6.1.3 硬件实现分析
  • 6.1.3.1 Cavium硬件实现方案
  • 6.1.3.2 Motorola硬件实现方案
  • 6.1.4 各种实现方案的比较
  • 6.2 Lookaside结构与Flow Through结构
  • 6.2.1 Lookaside结构
  • 6.2.2 Flow-Through结构
  • 6.2.3 Gigabit IPSec体系结构比较
  • 6.3 AES的Verilog实现
  • 6.4 HMAC的Verilog实现
  • 6.5 IPSec基于FPGA的实现
  • 6.5.1 体系结构
  • 6.5.2 互联总线
  • 6.5.3 验证平台
  • 6.5.4 测试软件
  • 6.5.5 试验数据
  • 6.6 小结
  • 第七章 视频安全算法研究与分析
  • 7.1 内容安全现状介绍
  • 7.1.1 SVPA由软件升级到硬件规范
  • 7.1.2 DRM与DTCP的新进展
  • 7.2 图像/视频压缩算法介绍
  • 7.3 基于小波的压缩算法及JPEG2000
  • 7.3.1 小波变换
  • 7.3.2 JPEG2000
  • 7.4 JPSEC
  • 7.4.1 PSEC与JPSEC的比较与分析
  • 7.5 小波压缩与加密融合算法
  • 7.5.1 视频图像加密与认证的特殊性
  • 7.5.2 选择性图像加密与认证
  • 7.5.2.1 重要比特平面加密
  • 7.5.2.2 低频系数加密
  • 7.5.2.3 有效值影射加密
  • 7.5.3 兼容性图像加密
  • 7.5.4 JPEG2000码流的兼容选择性图像加密与认证
  • 7.6 性能（时间复杂度）分析与安全性分析
  • 7.7 小结
  • 第八章 视频安全算法在数字电影中的应用
  • 8.1 数字电影与数字电影的安全
  • 8.2 安全架构
  • 8.3 HDCP与Link Encryption
  • 8.4 实现
  • 8.4.1 AES加密与HMAC认证
  • 8.4.2 链路加密的实现
  • 8.5 小结
  • 第九章 结束语
  • 9.1 本文工作总结
  • 9.2 下一步研究方向
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者简历

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