SeChain:基于国密算法的RISC-V安全启动机制设计与实现

开源RISC-V指令集为我国建立自主可控物联网生态提供了重大机遇.然而,物联网设备通常缺乏硬件加固措施,容易遭受物理级的固件篡改攻击,因此保障固件完整性以提高设备安全性至关重要.为此,已有基于安全启动技术的初步探索,但仍存在3个问题:1)传统软件信任根难以保证物理级可靠性;2)主流硬件级安全启动技术被国际芯片厂商掌握,技术未公开且不支持国密算法,无法保证安全自主可控;3)已有基于RISC-V CPU的安全启动研究缺乏对上层固件的校验机制.为解决上述3个问题,首次设计并实现基于国密SM9算法的RISC-V安全启动机制——SeChain.具体而言:1)在RISC-V SoC内部增加了签名计算单元(signature calculation unit,SCU),实现密钥对生成与签名;2)增加了密钥验证单元(key verification unit,KVU),实现验证算法的片内执行及固件完整性验证;3)设计实现基于验证引导的多级安全启动机制,从不可篡改的硬件信任根出发,逐级完成引导程序的完整性校验.基于上述设计,SeChain实现了信任根的不可篡改和安全可信,构造了一个可信的安全启动链,基于国密SM9算法为设备的安全启动和可信执行提供可靠保障.为了验证SeChain的有效性、高效性和可靠性,基于VexRiscv CPU在FPGA硬件平台完成了SeChain仿真验证实验.实验结果表明,SeChain能够有效抵御各类固件篡改攻击,并能对抗信任根攻击,且平均额外时间开销不超过6.47 s.SeChain适用于资源受限的IoT设备,在满足安全可信启动的同时,能为国产RISC-V生态的安全自主可控提供有力保障.

基于RISC-V指令扩展方式的国密算法SM2、SM3和SM4的高效实现

基于指令扩展的密码算法实现是兼顾性能和面积的轻量级实现方式,特别适用于日益普及的物联网设备.SM2、SM3和SM4等国密算法有利于提高自主可控设备的安全性,但针对这些算法进行指令扩展的相关研究还不够充分.RISC-V由于其开源、简洁及可扩展等优点已成为业界最流行的指令集架构之一,本文主要基于国产开源RISC-V处理器对国密算法SM2、SM3和SM4进行指令扩展和高效实现.本文基于软硬件协同的理念提出总体指令的扩展方案.对相关密码算法进行深入分析和方案对比,分别设计了硬件单元,提出高效的实现方式.设计实现的协处理器具有2级流水线结构,顺序派遣、乱序执行和顺序写回的指令执行模式,以及独立内存访问单元和大位宽寄存器.协处理器统一接管了密码算法的部分控制逻辑,降低硬件资源消耗.实验结果表明,本文设计的密码协处理器硬件结构精简,资源利用率高.SM2、SM3和SM4算法占用资源少,但执行速率相比纯硬件有一定程度下降,资源面积和花费时间的乘积与其他相关文献相比有不同程度的优势.

一种基于CatBoost优化的光伏阵列故障诊断模型

大部分光伏电站地处偏僻、地形复杂的区域,受到外界环境的影响,易发生各种故障.而传统的光伏阵列故障诊断方法存在精度不高以及光伏数据利用率低等问题.针对以上问题,本文先是通过引入Levy飞行策略和步长因子动态调整策略改进麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA),降低SSA算法陷入局部最优的风险,提升SSA算法的寻优能力.然后采用改进的Levy步长调整麻雀搜索算法(Levy Adjustment Sparrow Search Algorithm,LASSA)对CatBoost模型关键超参数进行寻优,提出了一种基于CatBoost并以LASSA为优化策略的光伏阵列故障诊断模型LASSA-CatBoost,以实现光伏阵列的短路、开路、老化和阴影遮挡故障的精确诊断.实验结果表明,LASSA-CatBoost模型的故障诊断准确率为99.7%,相较于优化前的CatBoost模型,准确率提高了3.6%.与现有的光伏阵列故障诊断模型相比,LASSA-CatBoost模型的准确性和稳定性更高.

基于遗传算法-v支持向量回归的船舶轨迹预测

为了提高船舶轨迹预测精度,避免船舶海上航行事故的发生,本文采用遗传算法对v-支持向量回归进行参数寻优,以此来分别构建关于经纬度的船舶轨迹预测模型。选取水上移动业务标识码为356772000的货船在2022年6月的船舶自动识别系统数据作为研究对象。将该模型的预测结果分别与粒子群优化算法和网格搜索算法优化的v-支持向量回归模型、遗传算法-支持向量回归模型进行比较。实验结果表明:遗传算法v-支持向量回归模型关于航迹经、纬度预测结果的均方误差、平均绝对百分比误差和平均绝对误差相比于其他模型最低,关于经度分别为4.29×10^(-7)(°)、4.50×10^(-4)和5.47×10^(-7)(°)2,关于纬度的分别为1.82×10^(-6)(°)、4.02×10^(-3)和1.08×10^(-3)(°)2。基于遗传算法-v支持向量回归模型的预测效果最好,预测误差波动最小。本文将遗传算法与v-支持向量回归相结合,为船舶轨迹预测模型的优化提供参考,也为海上智能交通提供思路。

基于时间分区和粒子群优化的非侵入式负荷分解研究

非侵入式负荷分解技术是智能电网技术体系的重要组成部分,针对现有分解技术对功率相近或小功率负荷辨识精度较低的问题,提出基于时间分区和V型粒子群优化的非侵入式负荷分解算法。文章通过具有噪声的基于密度的聚类算法对负荷的功率特征进行聚类分析,得到负荷的功率特征模板,并求解负荷典型工作时间区间,得到负荷的时间特征模板;综合考虑功率及时间两种特征,构建V型粒子群算法的目标函数,实现负荷分解;在AMPds2公开数据集上实现仿真,并与隐马尔可夫模型对比,验证了文章方法的有效性。

无功功率控制在光伏发电并网中的应用

无功功率控制可以应用于光伏发电并网,是确保电网稳定运行的关键措施。文章提出一种改进电压-无功(Voltage-Reactive Power,V-Q)控制算法用于控制光伏发电并网,并讨论了控制算法的实现方式。该方法能够有效提高光伏发电并网系统的响应灵敏度,防止系统出现振荡和过调节问题,且能够降低谐波水平。以西北某光伏发电场为例,深入分析了应用自适应比例-积分-微分(Proportion-Integration-Differentiation,PID)控制器的改进V-Q控制算法对系统稳定性的影响。研究结果表明,该算法能够确保光伏发电系统的稳定运行,为其他光伏发电场提供参考和借鉴。

RISC-V架构的轻量化内存保护单元

随着互联网和物联网的快速发展,全球联网设备数量高速增长,“万物互联”成为全球网络未来发展的重要方向。边缘物联代理设备繁荣的同时也催生了多样化的安全问题,然而传统的安全保护机制在现有边缘物联代理设备上已变得低效,且可信执行环境过大,需要依赖远程授权。目前应用普遍存在被破解、数据被窃取篡改等安全风险,对金融数据安全、个人隐私数据保护、业务数据完整性等带来极大的威胁。本文提出了一种基于RISC-V架构的轻量化内存保护单元,实现基于硬件可信根的硬件安全启动机制。通过对RISC-V指令集进行扩展,并利用新增指令创建内存安全空间,将一般的内存转换成安全的加密空间,实现可信嵌入式系统。

铁路电能质量控制系统容量优化设计

针对铁路电能质量控制系统(RPQMS)容量优化问题,分析了优化补偿原理,推导了V/v牵引供电系统电网侧电能质量参数与RPQMS容量优化补偿系数和负载特征之间的数学关系,建立了以RPQMS补偿容量最小为目标函数、电能质量参数为约束条件以及容量优化补偿系数为决策变量的优化模型,采用微分进化算法(DE)得到了补偿系数的全局最优解和补偿容量的目标最小值,进而得到控制器最优给定值。仿真和实验结果表明,采用该方法可以在满足全负荷范围电能质量指标的同时获得综合最优补偿效果,显著减少RPQMS补偿容量。

基于空间复用的信号检测算法研究

为了在接收端恢复出发送端的原始数据,需要在接收端进行信号检测。对几种经典的传统信号检测算法进行了详细阐述和分析,并对各种算法进行了Matlab仿真和性能比较。由此得出,改进型的V-BLAST算法可以用于TD-LTE无线综合测试仪的开发。

基于三分类支持向量机的多分类算法的研究

用支持向量机解决多分类问题是目前众多学者研究的热点话题.将已有的最小二乘支持向量分类-回归机算法推广到M空间进行了理论分析,在基于支持向量机的三分类算法基础上,提出了两个新的K(K>3)类多分类算法:一对一对多与一对一对一算法.对所有数据集进行分类时,在已有的多分类算法的基础上采用加校正的技巧:忽略准确率低的子分类器.数值实验证明了该技巧的有效性,并且校正后的准确率比校正前平均提高了4.61%.

基于V5接口的接入网用户端口测试的一种实现方法

说明了接入网用户端口测试功能的必要性,分析了接入网用户112集中测试存在的问题。针对存在的问题,讨论了用户端口测试方法,提出了通过对V5.2接口控制协议补充相应的测试功能实现接入网用户112测试的方法。不需为112测试购置专门的设备,降低了运营成本。

基于改进力导向模型的生态节点布局优化

在西北干旱半干旱生态脆弱区,构建生态网络可以连接破碎的生境斑块,提高景观之间的连通性。而生态节点的布局优化能够降低能量损耗,增加稳定性,对维持区域生态环境安全稳定具有重要意义。以生态脆弱区典型县域磴口县为研究区,在现有生态网络基础上,改进了H&V算法的力导向(force-directed)模型,通过优化生态节点的布局对生态网络进行优化。研究结果表明,在磴口县选取的局部研究区内,与H&V算法相比,改进force-directed模型优化的生态节点布局覆盖率达到90.79%,提升了4.08个百分点;平均聚类系数升高至0.071,是未改进H&V算法的1.4倍;分布均匀度降低至2.629,比未改进H&V算法降低了0.629。通过模型优化使得网络结构清晰、生态节点布局均匀,节点覆盖率更高,表明优化后生态网络结构更为稳定。

江苏省MODIS气溶胶光学厚度和PM_(2.5)质量浓度关系研究

采用Terra-MODIS L1B数据和NASA的V5.2气溶胶业务反演算法,通过6S辐射传输模型自制查找表,反演出江苏省的气溶胶光学厚度。利用地基太阳光度计观测资料计算的气溶胶光厚度数据对反演结果进行了验证。利用反演结果对南京、扬州和徐州等3个城市的气溶胶光学厚度与PM2.5质量浓度数据的关系进行了回归分析,证实了MODIS气溶胶光学厚度可以作为预测PM2.5区域分布与传输的有效补充手段。研究结果有助于相关部门了解大气污染情况及其变化趋势,在区域大气污染监测中具有应用价值。

用于MIMO信号检测的降低复杂度V-BLAST算法

用于多输入多输出(MIMO)通信系统信号检测的V-BLAST算法其预处理具有较高的运算复杂度。对此作出改进,提出了一种降低复杂度V-BLAST算法。该算法在V-BLAST每一步的检测中不仅选取信噪比/信干噪比最大的一路信号、而且同时选取信噪比/信干噪比足够大的各路信号一起进行检测。仿真结果显示,该降低复杂度V-BLAST算法在取得与常规V-BLAST检测十分接近的误码性能的同时,达到了显著低于后者的预处理复杂度。

光伏系统在部分遮挡条件下的GMPPT算法研究

光伏系统在部分遮挡条件下的输出功率-电压(P-V)特性曲线呈多峰状,此时传统的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法失效,极大地降低了光伏系统能量转换效率。通过对光伏阵列在部分遮挡条件下的P-V特性进行较为深入的实验分析及研究,基于实验分析及研究结果,设计并提出一种全局最大功率点跟踪(Global Maximum Power Point Tracking,GMPPT)算法以弥补传统M PPT算法的缺陷和不足。测试结果表明该算法可以快速实现在部分遮挡条件下全局最大功率点的追踪。

风电机组偏航控制系统的新型算法—V-HC研究

为有效进行偏航迎风控制,提高对风精度,提出了一种新型的偏航系统控制算法——VANE-HILL CLIMB- ING,该算法的核心内容是在大范围风向变化时采用风向标控制算法,而在小范围风向变化时则采用功率控制算法。采用PSCAD仿真软件建立了双馈电机的仿真模型,给出了程序流程框图,进行了仿真实验。通过仿真,得到仿真曲线,并进行了分析,结果表明该算法有效可行,提高了对风精度,增加了系统的输出功率。

基于树形聚类匹配的脑肿瘤自动分割方法

提出一种基于树形聚类匹配的脑肿瘤自动分割方法.为了去除非脑组织对于脑肿瘤定位的影响,首先提出一种新的脑组织提取算法,这种算法无需完整的序列影像,可直接对三维影像数据进行分割.其次对分割后的脑组织影像进行中心定位,建立树形索引匹配结构,采用一种节点匹配算法完成粗分割,最后根据粗分割结果,采用形变模型完成精确分割.算法的特点是无需数据集的训练,能够较为准确的完成脑肿瘤的自动分割,实验结果验证了算法的实用性及可行性.

基于HSI色彩空间的低照度图像增强算法

为了提高低照度图像的质量,提出了基于HSI色彩空间的图像增强新算法。首先将待增强的彩色图像转换到HSI色彩空间,然后分别针对饱和度分量(S)和亮度分量(I)进行不同的增强处理。对分量S提出分段指数变换进行增强,以使图像色彩更适合人眼视觉习惯;对分量I,引进新的正交多小波V-系统,先进行相应的V-变换,分离出高、低频子带,接着对低频子带进行Retinex调整,以减轻光照因素对图像的影响,而对高频子带则使用改进的模糊增强算法来实现图像的去噪与增强。最后将处理后的分量S、分量I与分量H合成为清晰的彩色RGB图像。实验表明该算法可以明显改善低照度彩色图像的视觉效果,在客观评价指标上也有显著提高。

办公室环境下的超宽带信道测量与建模

依据广泛的频域信道测量数据,提出了符合中国超宽带(UWB)技术频率使用规定的办公室室内信道模型。信道总体模型采用修正Saleh-Valenzuela(S-V)模型。在信道测量信号的后处理中,使用过渡带为高斯滚降特性的类高斯窗来提取符合中国超宽带频谱规范的测量信号。利用CLEAN算法从时域测量数据中提取高分辨率的离散信道响应,并为信道时域测量信号提出了一种基于小波分析的自动分簇算法,统计提取出了大尺度和小尺度信道模型参数。结果表明:提出的办公室超宽带信道模型和实测数据具有相近的时延扩展特性和平均多径数量,可以比IEEE802.15.4a信道模型更好地反映中国办公室环境下的UWB信道特性。

金属带式无级变速器夹紧力的分析与研究

在当前金属带式无级变速器常用的夹紧力控制方法基础上,通过台架试验标定出了临界夹紧力,并考虑温度对夹紧力的影响而引入温度修正系数;利用模糊算法选定各种不同工况下的安全系数,从而确定金属带的目标夹紧力。实车试验结果表明,应用上述方法确定的目标夹紧力,可在保证金属带不打滑的情况下,有效降低目标夹紧力,提高了金属带式无级变速器的传动效率。