基于PCi-E总线的加密网卡驱动及应用程序设计

摘要

随着互联网技术的高速发展，网络信息安全问题日益尖锐。在这个全球互联的时代，网络信息安全是关系到国计民生，国家安全的重点问题。
　　本课题针对网络数据传输安全问题，设计了一块具有硬件加密功能的网卡。在网卡硬件中，对用户数据进行加密后再通过公用互联网传输，保证网络信息安全。本文重点研究加密网卡在Linux系统平台的驱动及应用程序开发。
　　本文程序设计基于Ubuntu16.04系统，内核为Linux4.4内核。应用程序基于Qt开发。本文首先介绍Linux驱动，TCP/IP协议，PCI-e总线和DMA的相关知识，以及加密网卡的硬件结构。然后讨论研究加密网卡应用系统设计，重点讨论加密网卡的驱动程序以及实时视频码流加密传输和文件加密传输的应用程序设计。文章最后会对驱动程序以及应用程序进行测试。
　　加密网卡是一种高效低成本的网络信息安全解决方案。在国家大力发展国产操作系统的背景下，基于Linux系统开发驱动程序和应用程序，顺应了国家基于Linux内核开发国产操作系统的思想路线，有利于Linux系统的应用推广。在国产操作系统发展成熟并推广使用时，也便于将程序移植到国产操作系统中。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 课题研究的意义

1．3 国内外研究现状

1．4 论文的内容及组织结构

第2章 基础知识

2．1 Linux驱动程序概述

2．1．1 Linux驱动程序的分类

2．1．2 Linux设备驱动的模块化

2．2 TCP／IP协议介绍

2．2．1 以太网数据封装

2．2．2 以太网首部

2．2．3 IP协议首部

2．2．4 UDP协议首都

2．2．5 TCP协议首部

2．3 PCI-e／PCI总线

2．3．1 PCI／PCI-e设备的初始化过程

2．3．2 PCI-e总线配置空间

2．3．3 PCI-e的MSI中断

2．4 PCI／PCI-e设备DMA传输分析

2．5 加密网卡硬件结构介绍

2．5．1 加密网卡总体结构介绍

2．5．2 FPGA数据接收发送链路结构介绍

2．6 本章小结

第3章 加密网卡应用系统设计

3．1 系统总体结构设计

3．2 驱动程序结构设计

3．2．1 驱动程序功能模块设计

3．2．2 数据加密设计

3．3 应用程序结构设计

3．3．1 应用程序server端设计

3．3．2 应用程序client端设计

3．3．3 应用层数据封包格式设计

3．4 本章小结

第4章 驱动程序设计

4．1 驱动程序加载和卸载

4．1．1 PCI-e驱动程序和设备的匹配

4．1．2 PCI-e驱动程序的加载和卸载

4．1．3 设备初始化和关闭

4．2 Linux下的DMA编程

4．2．1 DMA地址掩码

4．2．2 DMA地址映射

4．3 网络设备的注册和初始化

4．3．1 网络设备的注册和移除

4．3．2 网络设备初始化流程

4．4 网络设备的打开和关闭

4．5 网络设备中断处理设计

4．6 网络数据的接收和发送

4．6．1 struct sk_buff结构体

4．6．2 数据发送流程

4．6．3 数据接收流程

4．7 物理链路连接状态检测

4．8 字符设备程序设计

4．8．1 字符设备注册

4．8．2 字符设备操作方法设计

4．9 本章小结

第5章 应用程序设计

5．1 视频及文件传输程序设计

5．1．1 应用层协议设计

5．1．2 client端与server端连接的建立流程

5．1．3 视频码流处理框架设计

5．1．4 环形缓冲区的设计

5．1．5 视频传输流程设计

5．1．6 文件传输流程设计

5．2 秘钥管理程序设计

5．3 系统测试

5．3．1 网卡传输速率测试

5．3．2 数据加密传输测试

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明