安全FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)通信和控制

單芯片加密技術(shù)可在單個(gè) FPGA 中經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn) UAV 命令和控制系統(tǒng)?？?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1315/" target="_blank">編程 IC 中的部分重新配置功能可節(jié)省 SWaP-C 成本，因?yàn)槊芏容^低、功耗較低的 FPGA 可以托管設(shè)計(jì)。

在過去幾年中，美國軍方及其盟國越來越依賴無人機(jī)（UAV）系統(tǒng)在世界各地執(zhí)行監(jiān)視和戰(zhàn)斗任務(wù)。安全通信鏈路對于無人機(jī)的運(yùn)行至關(guān)重要，既可以基于任務(wù)目標(biāo)控制無人機(jī)，也可以可靠地向地面上的任務(wù)控制器提供可操作的數(shù)據(jù)。加密和解密是固有的要求，增加了無人機(jī)電子封裝的復(fù)雜性和成本。但是，通過能夠滿足類型 1 加密要求的單個(gè) FPGA，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以利用可重新編程性并實(shí)現(xiàn)尺寸、重量、功耗和成本的節(jié)省，這稱為 SWaP-C 節(jié)省。賽靈思和先進(jìn)通信概念公司 （ACCI） 展示了一種基于 FPGA 的無人機(jī)通信和控制系統(tǒng)。

無人機(jī)應(yīng)用依賴于在FPGA中實(shí)現(xiàn)的單芯片加密（SCC）設(shè)計(jì)來保護(hù)地面控制站和無人機(jī)之間的通信。該實(shí)現(xiàn)完全保護(hù)了遙測、視頻和控制數(shù)據(jù)。該示例系統(tǒng)依靠FPGA部分重新配置的強(qiáng)大功能，在可現(xiàn)場升級的解決方案中提供算法交換，所有這些都在較小的產(chǎn)品占位面積內(nèi)完成。

Xilinx 與領(lǐng)先的國防解決方案開發(fā)商和主要政府機(jī)構(gòu)合作，開發(fā)了 FPGA 設(shè)計(jì)流程和驗(yàn)證流程，使單個(gè) FPGA 能夠滿足 1 類加密要求。滿足1類加密要求的舊方法采用了兩個(gè)FPGA，一個(gè)用于安全地對設(shè)計(jì)的未加密部分進(jìn)行分區(qū)。在單芯片實(shí)現(xiàn)中，未使用的邏輯元素用于實(shí)現(xiàn)分區(qū)。

設(shè)計(jì)流程隔離了 FPGA 中處理紅色和黑色數(shù)據(jù)以及加密/解密功能的區(qū)域（圖 1）。設(shè)計(jì)的紅色部分處理未加密的數(shù)據(jù)，并且必須與處理加密數(shù)據(jù)的部分隔離。SCC在功能上位于紅色和黑色兩側(cè)之間。這里描述的無人機(jī)示例基于使用 SCC 技術(shù)的 Virtex-5 FPGA。

圖 1：類型 1 加密要求在 UAV 系統(tǒng)的加密（黑色）和未加密（紅色）區(qū)域之間進(jìn)行隔離。

無人機(jī)演示

在 MILCOM、Xilinx 和 ACCI 等會議上，賽靈思和 ACCI 展示了一款配備 FPGA 的無人機(jī)，可在無人機(jī)和加固型、基于筆記本電腦的地面控制站之間提供實(shí)時(shí)加密的控制、遙測和視頻數(shù)據(jù)流（圖 2）。真人版曾在空軍聯(lián)合強(qiáng)行進(jìn)入演習(xí)（JFEX）和SOCOM / NPS戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌═NT）演習(xí)等活動中飛行。它們正在評估用于各種飛機(jī)和系統(tǒng)，包括無人機(jī)。

圖 2：ACCI無人機(jī)展示了單芯片加密和部分重配置的強(qiáng)大功能。

無人機(jī)指揮和控制系統(tǒng)使用帶有集成電源處理器的 Virtex-5 FPGA。該系統(tǒng)只需要FPGA、MEMS加速度計(jì)和用于無線通信鏈路的物理層。在開發(fā)該系統(tǒng)時(shí)，ACCI 從 SCC 設(shè)計(jì)流程和 Xilinx 的信息保障技術(shù)入手，并添加了一個(gè)名為“戰(zhàn)術(shù)上牢不可破的安全通信”或 TUCNet 的安全通信層。圖克網(wǎng)絡(luò)可以加密任何數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。例如，它可以處理視頻、遙測、控制甚至語音數(shù)據(jù)包。

出于安全和競爭原因，ACCI不會透露TUCNet的技術(shù)細(xì)節(jié)。但更廣泛地說，該公司依靠協(xié)議跳躍和加密方案跳躍等功能來提供在任何類型的有線或無線網(wǎng)絡(luò)上安全的網(wǎng)絡(luò)層。

為了滿足1型要求，ACCI必須根據(jù)國防機(jī)構(gòu)的規(guī)范隔離FPGA的每個(gè)區(qū)域。利用 Xilinx 的 SCC 方法以及隔離驗(yàn)證工具 （IVT），ACCI 能夠?qū)嵤┰摻鉀Q方案，并提供驗(yàn)證隔離的必要文檔。

最值得注意的是，ACCI在單個(gè)FPGA中實(shí)現(xiàn)了類型1要求。在 Xilinx 與政府機(jī)構(gòu)合作并驗(yàn)證 Type 1 加密功能之前，設(shè)計(jì)需要使用多個(gè) IC 或子系統(tǒng)來隔離紅色和黑色數(shù)據(jù)以及在每個(gè)數(shù)據(jù)上運(yùn)行的算法。SCC 技術(shù)簡化了系統(tǒng)實(shí)施，從而節(jié)省了 SWaP-C 的成本。至少，SCC技術(shù)從實(shí)現(xiàn)中消除了一個(gè)FPGA，使托管設(shè)計(jì)所需的PC板空間減半。功耗和成本不會減半，因?yàn)殡p芯片實(shí)現(xiàn)可能使用了密度稍低的FPGA，但節(jié)省的成本是顯著的，甚至重量也減輕了一小部分。

強(qiáng)化了軟件支持功能的優(yōu)勢

在滿足1類加密認(rèn)證的所有安全要求的同時(shí)，ACCI的FPGA算法和處理實(shí)現(xiàn)通過使用動態(tài)部分重新配置，加劇了無人機(jī)應(yīng)用中的SWaP-C優(yōu)勢。Xilinx 在 1 類加密系統(tǒng)上所做的工作證明了即使在動態(tài)重新配置部分 FPGA 時(shí)，也能保持紅黑數(shù)據(jù)的適當(dāng)隔離。通過動態(tài)部分重新配置，F(xiàn)PGA不必足夠大來容納所有處理算法。它只需要足夠大，就可以同時(shí)容納單個(gè)最大的數(shù)據(jù)處理算法、主控制算法和SCC實(shí)現(xiàn)。

ACCI利用獨(dú)特的動態(tài)部分重新配置來增加無人機(jī)控制和通信系統(tǒng)的功能，并最大限度地減少這樣做的SWaP-C負(fù)擔(dān)。該系統(tǒng)具有專有的硬件操作系統(tǒng)（硬件操作系統(tǒng)），該系統(tǒng)在FPGA中是靜態(tài)的。HardwareOS 提供系統(tǒng)資源分配和系統(tǒng)服務(wù)功能，這些功能是操作系統(tǒng)在傳統(tǒng)的基于軟件的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中提供的。

無人機(jī)系統(tǒng)依賴于ACCI開發(fā)的應(yīng)用程序或算法加速器庫。除了安全功能外，支持 TUC 的算法加速器還支持無人機(jī)上的遙測和視頻數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)操作以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)碼功能。例如，如果 UAV 處于傾斜轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，則視頻幀會因 UAV 幀的俯仰角和滾動角度以及攝像機(jī)平移和傾斜設(shè)置而水平失真。這個(gè)問題是通過動態(tài)加載和運(yùn)行算法來實(shí)時(shí)“反向旋轉(zhuǎn)”視頻幀到正確的方向來解決的。

TUC系統(tǒng)還將數(shù)字視頻從RS-170格式轉(zhuǎn)碼為MPEG-2和H.264格式等。然后，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)碼后的視頻與來自自動駕駛儀和其他機(jī)載傳感器的遙測數(shù)據(jù)組合到 MPEG 傳輸流中，該傳輸流可正確模擬 Predator 數(shù)據(jù)下載格式。這允許當(dāng)前處理捕食者格式數(shù)據(jù)流的任何系統(tǒng)使用無人機(jī)數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)流都經(jīng)過加密，以便進(jìn)行地面?zhèn)鬏敗?/p>

系統(tǒng)可以將傳輸?shù)綗o人機(jī)的每個(gè)數(shù)據(jù)包或捕獲的遙測或視頻數(shù)據(jù)的每個(gè)數(shù)據(jù)包加載到FPGA上的靜態(tài)塊RAM（BRAM）中，然后根據(jù)需要將任何所需的算法序列動態(tài)應(yīng)用于每個(gè)數(shù)據(jù)包。借助 TUC 硬件加速，視頻穩(wěn)定、水平校正、Predator 格式轉(zhuǎn)碼、傳輸流打包和加密的整個(gè)幀處理可在不到 12 毫秒的時(shí)間內(nèi)完成。從相機(jī)到每秒30幀的速度，幀之間有33毫秒可用，從而為未來計(jì)劃的增強(qiáng)功能提供了充足的處理資源，例如自動目標(biāo)跟蹤和直接自動駕駛儀控制。

動態(tài)部分重新配置

雖然使用SCC流來幫助維持類型1的要求，但使用動態(tài)部分重新配置的真正優(yōu)勢是顯而易見的：系統(tǒng)每秒可以重新配置FPGA超過100，000次。此外，F(xiàn)PGA架構(gòu)中固有的數(shù)據(jù)流和并行處理可最大限度地減少延遲，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作，以優(yōu)化收集的數(shù)據(jù)以傳輸?shù)降孛嬲?。ACCI系統(tǒng)對預(yù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，并將安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂普?。演示中使用的筆記本電腦解密數(shù)據(jù)并將其呈現(xiàn)給用戶。

部分重新配置功能允許 ACCI 利用集成了 PowerPC 的最小、堅(jiān)固耐用的國防級 Virtex-5 系列成員，從而節(jié)省了更多成本。所選的 XQ5VFX70T 器件包括 11，200 個(gè)可配置邏輯模塊 （CLB） 和一個(gè)電源控制核心。在沒有部分重新配置的情況下，該設(shè)計(jì)需要更大的FPGA，這將花費(fèi)更多成本并使用更多功率。例如，這可能意味著在Virtex-5Q系列中較小的產(chǎn)品和下一個(gè)較大的產(chǎn)品之間，靜態(tài)靜態(tài)功耗可節(jié)省5倍。

ACCI 和 Xilinx 正在開發(fā)新版本的無人機(jī)演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)將利用國防級 Virtex-6 系列，并進(jìn)一步增強(qiáng) SWaP-C 的優(yōu)勢。與具有類似數(shù)量 CFB 的 Virtex-5 FPGA 相比，Virtex-6 FPGA 的功耗降低了 50%。此外，Virtex-6 系列采用 45 nm 工藝技術(shù)制造，而 Virtex-5 系列采用 65 nm 工藝制造。新版本的無人機(jī)系統(tǒng)不需要具有集成PowerPC硬核的FPGA，而是通過使用軟核MicroBlaze處理器來進(jìn)一步節(jié)省成本。

審核編輯：郭婷