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(jì).pdf

1、量子保密通信有著無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是量子物理、電子信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)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(lái)進(jìn)行基矢比對(duì)、身份認(rèn)證、糾錯(cuò)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(jì)對(duì)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(jì)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(duì)TCP/IP報(bào)文的接收、發(fā)送和狀態(tài)管理等操作。首先，通過(guò)分析TCP/IP系列協(xié)議，對(duì)其中的相關(guān)原理、功能、報(bào)文格式等方面進(jìn)行解讀，從而完成系統(tǒng)框架的整體設(shè)計(jì)。然后按照自頂向下的設(shè)計(jì)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(duì)子模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部接口信號(hào)和互連通信方式

3、進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了定時(shí)器電路、序號(hào)產(chǎn)生電路、檢驗(yàn)和計(jì)算電路以及各功能模塊的狀態(tài)機(jī)電路，實(shí)現(xiàn)了TCP、UDP、IP、ICMP和ARP的精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用Verilog語(yǔ)言完成了對(duì)各模塊的描述，然后搭建了驗(yàn)證平臺(tái)，通過(guò)RTL仿真和FPGA驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足QKD的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。最后基于SMIC55nm工藝庫(kù)，通過(guò)Design Compiler和IC Compiler進(jìn)行邏輯綜合與布局布線，得到了時(shí)序、面積和功

4、耗相關(guān)參數(shù)。
　　本文主要貢獻(xiàn)有:第一，TCP/IP硬件結(jié)構(gòu)能夠獨(dú)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(xiǎn);第二，實(shí)現(xiàn)的主要協(xié)議功能有TCP、UDP、IP、ICMP和ARP，能夠滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊?第三，根據(jù)TCP協(xié)議對(duì)字節(jié)流處理的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了TCP的序號(hào)、確認(rèn)號(hào)與儲(chǔ)存地址的映射關(guān)系，降低了系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度;第四，使用簡(jiǎn)潔高效的亂序重組方法，不需要