基于AOS空间站的安全问题研究及其仿真实现

论文摘要

随着航天技术的发展,我国基于空间数据系统咨询委员会(CCSDS)标准的分包遥测、分包遥控和有效载荷数据的安全保护预研工作已经完成。要建立的空间站将采用高级在轨系统(AOS)标准,现有的数据保护技术已经不能满足实际安全需求。因此必须对AOS 标准进行分析,研究与之相适应的数据安全保护措施,提高航天器的安全性。为适应我国空间数据业务的发展,解决空间站设计中的高速数据传输安全保护问题,本文基于CCSDS 的AOS 标准建议书,研究了AOS 空间站的数据安全问题,提出了AOS 数据保护系统模型,并对其数据加密算法进行了仿真实现。本文详细分析了AOS 的特点,探讨了空间站潜在的各种安全威胁和AOS 不同业务的安全需求,制定了详细的数据保护实施方案。同时课题完成了数据保护系统的数据加密模块的设计,通过超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)进行仿真实现,并通过C 语言进行仿真验证。本文的数据加密模块主要采用高级加密标准(AES)。通过对AES 算法的分析,找出了算法中的快速实现方法,并采用并行化设计方法,采用速度优先、尽量减少电路规模的思想,完成了高速加/解密AES 算法的仿真实现。本文仿真实现的数据加密处理部分,以独立模块的形式存在于数据保护系统中,具有高的可移植性,它具有处理速度快、占用资源少、安全强度高等优点,实现了对AOS 空间站类型多样化、高速率、大容量数据的安全保护。该设计可用于空间站AOS 关键技术的研究及演示验证,为将来AOS 空间站数据保护系统的硬件实现奠定了必要的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 缩略字表
• 第一章 引言
• 1.1 背景
• 1.2 课题来源及意义
• 1.3 本文的主要研究内容和论文结构
• 1.3.1 本文的主要研究内容
• 1.3.2 论文结构
• 第二章 信息安全理论基础
• 2.1 信息安全概述
• 2.2 密码学基础
• 2.2.1 通信系统中的密码体制
• 2.2.2 密码学的技术手段
• 第三章 基于AOS 的空间站的安全问题分析
• 3.1 AOS 概述
• 3.1.1 AOS 的特点
• 3.1.2 AOS 业务功能介绍
• 3.1.3 AOS 数据格式
• 3.1.4 空间链路子网的业务等级
• 3.2 国际空间站AOS 系统的研究
• 3.3 AOS 系统中的关键技术
• 3.4 我国空间站的特点
• 3.4.1 我国空间站的安全需求分析
• 3.4.1.1 存在安全威胁
• 3.4.1.2 安全业务及其安全需求分析
• 3.4.2 安全策略实施
• 3.4.2.1 AOS 数据保护实施原则
• 3.4.2.2 AOS 数据保护位置选择
• 3.4.3 数据保护体制的实施
• 第四章 数据保护系统的方案设计
• 4.1 数据保护系统的技术要求
• 4.1.1 数据保护系统位置的确定
• 4.1.2 数据保护系统对外连接关系及接口定义
• 4.2 数据保护系统的主要功能分析
• 4.3 数据加密系统方案设计
• 4.3.1 加密算法的选择
• 4.3.2 数据加密处理的实现
• 第五章 AES 算法描述
• 5.1 预备知识
• 8）'>5.1.1 有限域GF（2⁸）
• 5.1.2 加法
• 5.1.3 乘法
• 5.1.4 X 乘
• 5.2 算法描述
• 5.2.1 数学描述
• 5.2.1.1 加密原理
• 5.2.1.2 解密原理
• 5.2.1.3 密钥扩展
• 5.3 算法分析
• 第六章 加密算法的逻辑分析和方案设计
• 6.1 子密钥扩展模块（SUBKEY）
• 6.1.1 总体逻辑功能设计
• 6.1.2 用户密钥为128 位的子密钥生成过程
• 6.2 加密明文运算模块（RIJNDAELE）
• 6.2.1 总体逻辑功能设计
• 6.2.2 加密过程分析
• 6.3 解密密文运算模块（RIJNDAELD）
• 6.3.1 总体逻辑功能设计
• 6.3.2 解密过程分析
• 6.4 电路实现方案设计
• 第七章 算法电路的时序分析和仿真实现
• 7.1 时序分析
• 7.1.1 算法模块接口时序图
• 7.1.2 运算时序
• 7.2 电路简要介绍
• 7.2.1 模块功能
• 7.2.2 技术特性
• 7.3 电路仿真实现
• 7.3.1 总体模块
• DATA（接口电路）'>7.3.2 RF_DATA（接口电路）
• 7.3.3 SUBKEY（子密钥运算模块）
• DE_GEN'>7.3.3.1 加密子密钥求逆运算模块KEY_DE_GEN
• EN_GEN'>7.3.3.2 加密子密钥扩展运算模块KEY_EN_GEN
• SUBKEY'>7.3.3.3 子密钥存储器RF_SUBKEY
• 7.3.4 加/解密运算模块CRYPT
• CTRL 模块'>7.3.5 ED_CTRL 模块
• 第八章 仿真验证和性能评估
• 8.1 仿真验证
• 8.2 性能评估
• 第九章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 附录A
• 附录B