基于多級SE網絡和混沌加密原理的FPGA設計與實現
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項目背景及可行性分析
- 項目名稱、項目的主要內容及目前的進展情況
項目名稱：基于多級SE網絡和混沌加密原理的FPGA設計與實現
項目主要內容：提出了混沌加密算法為基礎核心，并結合多級Shuffle-Exchange網絡設計并實現一個高效的加密系統。在解決多條輸入數據通道因復用要求而造成訪問沖突的問題后，提高加密模塊冗余度，實現系統吞吐能力的提升和最佳配置需求。
- 項目關鍵技術及創新點的論述
混沌加密算法本身的非周期、連續寬頻帶、類噪聲和長期不可預測等特點使得加密的數據更加安全可靠，另一方面多級Shuffle-Exchange網絡的應用和多種控制方式的實現可以使得本設計適應不同需求的應用。將并行處理系統處理結構中的多級SE網絡應用于整個混沌加密方式能夠提高整個系統的不可預測性提高安全等級。
項目實施方案
A）方案基本功能框圖及描述
本系統由以下幾部分構成：主控制模塊、輸入輸出通道、多級Shuffle-Change網絡和基于混沌加密理論的加密單元。
1、主控制模塊
主控制模塊作為整個系統的核心控制著系統各部分的工作狀態協調系統的資源配置以便使整個系統取得最佳的吞吐性能。一方面在主控制模塊的控制下系統可以實現多級Shuffle-Change網絡的不同拓撲連接以達到數據輸入通道和混沌加密單元的最佳匹配，實現提高系統性能的目的；另一方面通過外部模式選擇開關可以使主控制模塊工作在通道鏡像編碼、分組通道編碼或隨機通道匹配編碼等方式下以達到對不同應用要求的編碼的效率。
注：鏡像編碼指輸入通道的數據經過多級SE網絡到達混沌編碼器后其形成的密文流經過的后級SE網絡后其最終輸出通道與輸入的通道號向匹配，即形成一組輸入輸出鏡像。
分組通道編碼指相鄰的一組通道作為一個整體的加密單元被混沌加密單元組進行加密其輸出結果在最終的加密輸出通道中也是以相鄰的一組連續通道提供給外部的。（這方便了這樣的一種應用，即將一份名文按一定大小進行分組，每組通過一個通道進行加密，最終將產生的密文組重新進行組合）
隨機通道匹配編碼方式其目的是使混沌加密器的效率最大化，每次的輸入通道和最終的輸出通道并不一定相同連接方式采用的算法使其能夠得到最大的使用效率。
2、輸入輸出通道
由8個相互獨立的輸入（輸出）預處理器組成，其一端輸入（輸出）外部數據另一端輸出（輸入）混沌加密單元的數據流。各通道可分為三類：低速串行數據通道、高速串行數據通道和并行數據通道。
3、多級Shuffle-Change網絡
多級Shuffle-Exchange網絡又稱為Omega網是一種高性能計算機體系結構中極為重要的互聯體系結構，經常用于多個處理器之間或多處理器與存儲體群中的互聯，以解決各器件因為復用要求而造成的訪問沖突問題。SE網絡由交叉開關組成具有擴展性強的優點，并可以實現輸入級與輸出級間任意器件的互聯數據傳輸。
多級混洗—交換網絡結構：它由n級構成，每一級包含一個無條件混洗拓撲線路和一列可控的二元交換開關，前后重復，便于制造。各級編號是n-1，……，0，即按降序排列。
在多級混洗—交換網絡中，單獨一級混洗拓撲線路可完成一次數據混洗（shuffle），而單獨一列二元交換開關在處于“交換”狀態時可完成一次交換操作（Cube0）。如果各級二元交換開關都處于“直連”狀態，N個結點的數據通過網絡僅經過n次混洗操作，排列順序最終恢復輸入狀態（混洗函數性質2）；如果各級二元交換開關都處于“交換”狀態，則N個結點的數據在每次混洗之后緊接著一次交換（Cube0），也就是地址碼的最低位取反，最后n位地址均被取反。程序員根據數據置換或復制的需要，可以靈活地設置各開關的狀態。
本模塊結構主要起到傳遞數據流的作用，拓撲連接方式的選擇由主控制器統一控制管理。其使用狀態通過相應的信號通路報告給主控制單元。
4、混沌加密單元
混沌是近年來較快的非線性的重要分支，因其具有非周期、連續寬頻帶、類噪聲和長期不可預測等特點，所以特別適用于保密通信等領域。
混沌系統由于對初值的敏感性,很小的初值誤差就能被系統放大,因此,系統的長期性是不可預測的；又因為混沌序列具有很好的統計特性,所以它可以產生隨機數列,這些特性很適合于序列加密技術。信息論的奠基人美國數學家Shannon指出:若能以某種方式產生一隨機序列,這一序列由密鑰所確定,任何輸入值一個微小變化對輸出都具有相當大,則利用這樣的序列就可以進行加密。混沌系統恰恰符合這種要求。
混沌系統的特性使得它在數值分布上不符合概率統計學原理, 得不到一個穩定的概率分布特征；另外, 混沌數集是實數范圍, 還可以推廣到復數范圍。因此, 從理論上講, 利用混沌原理對數據進行加密,可以防范頻率分析攻擊、窮舉攻擊等攻擊, 使得密碼難于分析、破譯。
本設計中的該部分利用當今最新的混沌加密理論作為加密基礎，采用具有混沌特性的函數對名文進行加密的處理單元，為了加快處理速度采用流水線工作方式提高時間重疊性，并提供4個獨立處理單元以提到資源重復度和任務重疊度，通過以上努力提高整個系統效率，降低系統使用的速度瓶頸。
需要的開發平臺
實現本方案所需要的基本功能、功能、接口
Spartan-3E,50萬門，SDRAM，USB1.1/2.0，RS-232，SD/MMC接口，LED指示，LCD顯示
所需要的目標FPGA開發平臺，簡述為什么需要此平臺
Spartan-3E,50萬門，因為本設計需要至少實現4個加密單元因此需要盡可能多的邏輯門數。SDRAM和SD/MMC接口用來做數據存儲作為明文和密文的載體。USB和RS-232作為系統的數據對外傳輸接口。
是否需要其它配套的開發工具
需要相映開發版的下載器
2.方案實施過程中需要開發的模塊
核心的混沌加密算法和多級SE網絡是系統的關鍵部分，需要大量的工作對其進行驗證；整個系統擬采用下載的軟核進行控制，利用成熟的控制方式降低出錯率。
需要的其它資源
1.測試設備
需要的測試設備有萬用表、示波器、邏輯分析儀等。
2.方針、開發工具
仿真工具用Modelsim，開發工具包括Ise、Matlab等
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