適用于量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的TCP-IP協(xié)議棧的VLSI設(shè)計.pdf

1、量子保密通信有著無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，是量子物理、電子信息科學(xué)和計算機科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的研究領(lǐng)域。其中量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)是量子保密通信的重要組成部分。QKD系統(tǒng)除了基本的量子信道之外，還需要經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)來進行基矢比對、身份認證、糾錯和保密放大。經(jīng)典信道處理采用TCP/IP協(xié)議棧，該協(xié)議棧是基本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合。目前QKD系統(tǒng)由眾多芯片和器件搭建而成，存在各種缺陷。隨著QKD技術(shù)的發(fā)展和成熟，系統(tǒng)朝著小型化、集成化的方向發(fā)展。QK

2、D的SoC設(shè)計對提高量子密鑰的安全性具有十分重要的意義。
　　本文中TCPHP的VLSI設(shè)計是“量子通信系統(tǒng)中央控制與數(shù)據(jù)處理器”的重要組成部分，主要完成對TCP/IP報文的接收、發(fā)送和狀態(tài)管理等操作。首先，通過分析TCP/IP系列協(xié)議，對其中的相關(guān)原理、功能、報文格式等方面進行解讀，從而完成系統(tǒng)框架的整體設(shè)計。然后按照自頂向下的設(shè)計方法，根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)將TCP/IP硬件結(jié)構(gòu)劃分模塊，并對子模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部接口信號和互連通信方式

3、進行詳細設(shè)計，重點介紹了定時器電路、序號產(chǎn)生電路、檢驗和計算電路以及各功能模塊的狀態(tài)機電路，實現(xiàn)了TCP、UDP、IP、ICMP和ARP的精簡結(jié)構(gòu)。本設(shè)計采用Verilog語言完成了對各模塊的描述，然后搭建了驗證平臺，通過RTL仿真和FPGA驗證了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能夠滿足QKD的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。最后基于SMIC55nm工藝庫，通過Design Compiler和IC Compiler進行邏輯綜合與布局布線，得到了時序、面積和功

4、耗相關(guān)參數(shù)。
　　本文主要貢獻有:第一，TCP/IP硬件結(jié)構(gòu)能夠獨立處理自定義端口的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的CPU不需要參與協(xié)議的解析工作，從而降低因軟件缺陷導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)泄露密鑰的風(fēng)險;第二，實現(xiàn)的主要協(xié)議功能有TCP、UDP、IP、ICMP和ARP，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊?第三，根據(jù)TCP協(xié)議對字節(jié)流處理的特點，實現(xiàn)了TCP的序號、確認號與儲存地址的映射關(guān)系，降低了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度;第四，使用簡潔高效的亂序重組方法，不需要