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Signal Tap II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。