在阿富汗沖突期間，人們廣泛報道叛亂分子正在使用來自網(wǎng)絡(luò)的廉價軟件攔截和顯示來自無人機(jī)的未加密視頻。這一令人震驚的啟示表明，添加加密功能是一項艱巨的任務(wù)，但實際上，它并非必須如此。

數(shù)據(jù)加密對于無人機(jī)以及許多其他應(yīng)用程序來說都是一個明顯的好處。從有效載荷（如雷達(dá)、光學(xué)或紅外熱像儀）下載的內(nèi)容可以加密，以防止任何截獲的信號對敵人有用。流數(shù)據(jù)需要高性能加密引擎，但這完全在可內(nèi)置于可編程邏輯中的知識產(chǎn)權(quán)（IP）內(nèi)核的能力范圍內(nèi)。上傳的控制和命令信號也可以加密，以防止劫持飛機(jī)。

高級加密標(biāo)準(zhǔn) （AES） 由美國政府國家安全局 （NSA） 授權(quán)對機(jī)密信息進(jìn)行加密。AES將極高的安全性與計算效率相結(jié)合，適用于硬件或軟件系統(tǒng)。低數(shù)據(jù)速率（如命令信號）可以通過無人機(jī)中的軟件實現(xiàn)。當(dāng)然，硬件解決方案要快得多，并且非常適合視頻流。

應(yīng)用可以利用現(xiàn)成的內(nèi)核，如果它們使用可編程邏輯（如FPGA），甚至可以將其改裝到現(xiàn)有系統(tǒng)中。例如，需要100 Mbps的無線應(yīng)用可以通過在FPGA的未使用區(qū)域添加一個小的AES內(nèi)核來實現(xiàn)。AES 內(nèi)核可以使用 128 位或 256 位密鑰來提供高級別的安全性。即使運行速度高達(dá)100 Gbps的系統(tǒng)也可以使用更大的內(nèi)核來實現(xiàn)。此 1000：1 范圍內(nèi)的優(yōu)化為各種軍事和商業(yè)通信應(yīng)用提供了解決方案。

進(jìn)一步的安全注意事項是確保加密郵件在傳輸過程中未被篡改或損壞。這是使用更復(fù)雜的內(nèi)核（如 AES-GCM）完成的。這些內(nèi)核還涵蓋 100 Gbps 的數(shù)據(jù)速率，但將數(shù)據(jù)附加到每個數(shù)據(jù)包的末尾以提供消息身份驗證。此數(shù)據(jù)類似于CRC函數(shù)，因為它處理加密數(shù)據(jù)以確認(rèn)數(shù)據(jù)包已完全解密。

任何加密系統(tǒng)的一個重要方面是保持密鑰的安全，因為無人機(jī)可能會被捕獲或擊落。需要一種方法在發(fā)生安全漏洞時更改密鑰。密鑰包裝核心使用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） 指定的算法對密鑰進(jìn)行加密，以便可以通過不安全的鏈路安全地傳輸密鑰，或者在此示例中，加載密鑰，然后將其解包在 UAV 中。鑰匙可以作為飛行前程序的一部分，使用鑰匙槍注入無人機(jī)。該方案的一個優(yōu)點是地勤人員不能直接訪問加密密鑰。

此簡化的框圖顯示了添加到現(xiàn)有系統(tǒng)中的 AES 和密鑰包裝。

當(dāng)然，AES加密可以添加到廣泛的產(chǎn)品中，包括有線和無線通信，數(shù)據(jù)中心，視頻，游戲和存儲。毫無疑問，可編程解決方案是最快的上市方式，因此在現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計中無處不在。通常，最終FPGA中存在未使用的資源，這些資源可能足以將AES添加到現(xiàn)有芯片中，或者可以替代更高容量的設(shè)備。

將AES集成到基于FPGA的系統(tǒng)非常簡單，因為內(nèi)核可以很容易地集成到芯片的設(shè)計軟件中。然后，工程部門可以定義性能參數(shù)以匹配系統(tǒng)要求，并將AES混合到設(shè)計中。AES通常在微處理器的控制下運行，微處理器將在上電時監(jiān)督FPGA配置。

功耗是一個重要的標(biāo)準(zhǔn)，與用于實現(xiàn)吞吐量的時鐘頻率成正比。高時鐘速度將導(dǎo)致更高的功耗和更困難的設(shè)計。精心設(shè)計的內(nèi)核將被設(shè)計成使用更低的時鐘和更少的邏輯來最大限度地降低功耗。

驗證是系統(tǒng)設(shè)計中頭等大問題。AES 和 AES-GCM（具有伽羅瓦/計數(shù)器模式的 AES）由 NIST 標(biāo)準(zhǔn)化，具有許多不同的操作模式。NIST 還提供了大量具有已知答案模式的測試，用于實現(xiàn)驗證。為了驗證，測試向量由NIST批準(zhǔn)的測試實驗室生成，并且事先不知道?？蛻艨梢酝ㄟ^選擇一家供應(yīng)商來節(jié)省大量工作，該供應(yīng)商提供實現(xiàn)所有AESAVS測試的綜合測試臺，理想情況下，使用FIPS197和特別出版物SP800-38A中指定的附加矢量。

下一個要考慮的成本是硅。對于大多數(shù)系統(tǒng)，假設(shè)這將包括一個用于接口或自定義邏輯的FPGA。AES內(nèi)核可以共存于此器件中，以減少所需的硬件。AES 或 AES-GCM 內(nèi)核將適用于 Xilinx、Altera、微塞米和萊迪思提供的 FPGA。

工程師需要了解事情是如何工作的，與某些軟件代碼不同，可以讀取HDL（硬件描述語言）源。HDL代碼讓他們可以播放假設(shè)場景，以達(dá)到最佳設(shè)計。例如，用戶可以更改泛型參數(shù)并重新編譯以評估設(shè)計權(quán)衡，例如數(shù)據(jù)路徑寬度。他們還將被期望驗證核心并為最終產(chǎn)品創(chuàng)建測試向量。最后一個（也是最不令人興奮的）任務(wù)是記錄設(shè)計如何進(jìn)行存檔。我的經(jīng)驗是，F(xiàn)PGA設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)它很簡單，并且在一天之內(nèi)就積極地處理普通的普通內(nèi)核，但對于要求更高的設(shè)計，明智的做法是選擇一個IP供應(yīng)商，該供應(yīng)商還提供帶有咨詢選項的安全網(wǎng)。

加密IP的一個特殊考慮因素與安全性未受到損害的信心有關(guān)。任何高安全性設(shè)計中的一個問題是確保所謂的“后門”功能沒有被惡意包含。因此，選擇信譽(yù)良好的供應(yīng)商非常重要，這樣可以降低敵對情報機(jī)構(gòu)向開源項目提供惡意軟件或病毒的風(fēng)險。許可源代碼，而不僅僅是一個網(wǎng)表，為用戶提供了分析設(shè)計的選擇。它還減少了對系統(tǒng)中所有安全組件進(jìn)行詳細(xì)分析的負(fù)擔(dān)和成本。

最后，一個重要的考慮因素是重用。實際上，大多數(shù)客戶將繼續(xù)在未來的產(chǎn)品中包括他們開發(fā)的安全系統(tǒng)，因為在過去十年中，塊的重用率翻了一番。較大的公司將尋求站點范圍的許可證，以便他們能夠靈活地高效運營。

審核編輯：郭婷