智能制造车间级网络构建及其安全设计

摘要

《中国制造2025》和《智能制造发展规划(2016-2020)》的相继发布，加快了我国智能制造的规划和布局，以全力抢占先进制造业发展的制高点。随着信息化和工业化的不断深度融合，工业互联网开放程度越来越高，这也向网络信息安全提出了严峻的挑战，如何解决智能制造中网络信息安全问题变得迫在眉睫。
　　本论文针对智能制造车间级网络，分析并设计了网络安全方案和数据加密方式。在此基础上，首先完成了系统硬件平台的电路设计。电路设计包括系统电源ADP5050、FPGA参考时钟和参考电源、JTAG配置、DDR3存储K4B2G1646C、千兆以太网KSZ9031MNX、以太网连接器RJ45等模块。
　　在网络安全和密码及编码学的研究基础上，采用自顶而下的设计思想完成了系统的软件设计。软件设计分为两部分，一部分接口FPGA，另一部分为算法FPGA。接口FPGA软件设计主要包含千兆以太网PHY配置，UDP协议、IP协议、ARP协议、DDR3的转换控制及UniPHY IP配置、数据收发等模块；算法FPGA软件设计主要包含数据的输入寄存和校验、AES密钥扩展、AES加解及解密算法、SM4密钥扩展、SM4加解及解密算法和SM3算法等模块。在设计过程中分析了FPGA的片上资源及Verilog编码效率。
　　完成了系统仿真。利用Modsim完成了各子模块和系统整体的RTL级仿真，并对仿真结果进行了分析和判断。最后设计了系统的测试方案，并完成了系统的子模块和整体测试。子模块测试主要利用QuartusII的SignalTapII嵌入式逻辑分析仪获取FPGA的片内的待测信号，而整体测试主要利用Wireshark和网络调试助手来获取UDP加密和解密包。子模块和整体测试均包含了功能、性能和稳定性三个方面，并对测试结果做出了分析和判断。
　　实验结果表明，本文设计的车间级网络方案实现了网络数据的机密性和认证功能，为智能制造网络信息安全研究提供了良好的基础研究。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容及结构安排

2. 智能制造车间级网络设计方案

2.1 工业互联网网络体系

2.2 车间级网络威胁与防护措施

2.3 系统总体方案设计

2.4 本章小结

3 系统硬件设计

3.1 FPGA芯片选型

3.2 系统电源设计

3.3 FPGA及外围电路设计

3.4 本章小结

4 密码算法原理

4.1 AES算法原理

4.2 SM4算法原理

4.3 SM3算法原理

4.4 本章小结

5 接口FPGA软件设计

5.1 软件总体架构设计

5.2 DDR3模块设计

5.3 网络模块设计

5.4 数据收发模块设计

5.5 本章小结

6 算法FPGA软件设计

6.1 软件总体架构设计

6.2 总体控制设计

6.3 AES算法模块设计

6.4 SM4算法模块设计

6.5 SM3算法模块设计

6.6 仿真

6.7 本章小结

7 系统测试

7.1 系统测试方案

7.2 系统模块测试

7.3 系统整体测试

7.4 本章小结

8 总结及展望

8.1 总结

8.2 展望

参考文献

附录A 核心程序

附录B 关键仿真图

附录C 系统测试图

附录D 系统原理图

附录E 工程和资源占用

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢