铁路信号安全通信协议RSSP-II研究及核心算法的FPGA实现

《铁路信号安全通信协议RSSP-II研究及核心算法的FPGA实现》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、国内图书分类号：U285.8密级：公开国际图书分类号：625西南交通大学研究生学位论文铁路信号安全通信协议RSSP-II研究及核心算法的FPGA实现年级2015姓名张启鹤申请学位级别硕士专业交通运输工程指导老师王小敏二零一八年五月二十七日西南交通大学硕士研究生学位论文第I页ClassifiedIndex:U285.8U.D.C:625SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisRESEARCHONRAILWAYSINGNALSECURITYPROTOCO

2、L-IIANDTHEIMPLEMENTATIONOFCOREALGORITHMGrade:2015Candidate:ZhangQiheAcademicDegreeAppliedfor:MasterSpeciality:CommunicationandTransportationEngineeringSupervisor:WangXiaominMAY.27,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第II页西南交通大学硕士研究生学位论文第III页西南交通大学硕士研究生学位论文第IV页摘要安全性是铁路运营

3、与发展的基础，为了提高铁路运营能力，我国高铁列车采用CTCS-3列车运行控制系统。CTCS-3列控系统采用基于GSM-R无线通信的车地通信方式，可以缩短车地通信时间，具有更大的信息承载量和更少的地面设备投入。但是，无线网络的开放性给铁路安全带来了巨大的隐患。因此，我国制订了铁路信号安全通信协议RSSP-I和RSSP-II。本文考虑到使用软件方式设计实现RSSP-II协议时CPU系统资源占用高、系统灵活性差的弊端，并结合RSSP-II协议核心MAC验证码算法本身没有大量复杂的数学计算，在MAC码生成过

4、程中仅有逻辑运算和查表运算的特点，使用FPGA设计并实现了RSSP-II协议的核心MASL-MAC算法，解放了CPU系统资源占用，提高了系统运行效率，具有较高的工程应用价值。首先，本文对RSSP-II协议结构进行了研究，介绍了开放系统可能面临的安全威胁，分析了协议的两个子模块和三个子层次构成，并对RSSP-II实现安全通信的过程进行了详细的阐述。其次，本文分析了RSSP-II铁路信号安全通信协议的核心算法消息鉴定安全层的MAC认证码生成算法。并对其底层的DES加密算法的实现原理、加解密过程做了详细的

5、分析，包括IP置换和逆置换、子密钥生成、加密函数运算等。最后，在深入分析了消息鉴定安全层功能的基础上，本文在Quartusii环境下使用FPGA设计并实现了MAC认证码生成过程，并使用Modelsim仿真软件对功能进行仿真验证。本文还使用PADS开发环境，设计了RSSP-II核心算法的硬件电路验证平台，CPU通过并行总线将明文及密钥传输给FPGA，FPGA经过加密再通过串口打印最终结果，验证了本次设计的工程可实现性。通过本文的研究工作，成功实现了RSSP-II铁路信号安全通信协议核心的MAC认证码生

6、成过程，通过在安全控制系统平台种使用CPU+FPGA的组合方式，实现了复杂的通信控制，提高了系统性能，保障了系统的可靠性与安全性。关键词：铁路信号安全通信协议；消息验证码；FPGA；DES西南交通大学硕士研究生学位论文第V页AbstractSafetyisthefoundationofrailwayoperationanddevelopment.Inordertoimprovetheoperationcapabilityofrailway,CTCS-3trainoperationcontrolsys

7、temisadoptedinChina.TheCTCS-3traincontrolsystemadoptsGSM-Rwirelesscommunicationmode,whichcanshortenthetimeofvehiclecommunication,andhasmoreinformationcapacityandlesscapitalinputofgroundequipments.However,theopennessofwirelessnetworkbringsgreathiddentro

8、ubletorailwaysafety.Therefore,ChinahasdevelopedtherailwaysafetycommunicationprotocolRSSP-IIandRSSP-II.Inthisthesis,consideringthewayofusingthesoftwaredesigntorealizeRSSP-IIoccupiedtoomuchCPUsystemresources,andconsideringthatthereisnotal