基于fpga的多功能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是運(yùn)用于視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的一種基于FPGA的多功能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002 ]在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，家庭的洗衣機(jī)、電磁爐、電視、社區(qū)的監(jiān)控、道路上的信號(hào)燈都將成為物聯(lián)網(wǎng)的可控終端，這些與日常生活息息相關(guān)的物品連接到網(wǎng)絡(luò)上，在方便生活的同時(shí)也帶來(lái)了極大的潛在安全問(wèn)題。
[0003]例如一個(gè)社區(qū)的網(wǎng)絡(luò)可能包含視頻監(jiān)控網(wǎng)、煙霧報(bào)警器網(wǎng)、照明控制網(wǎng)、管理網(wǎng)等。這些網(wǎng)絡(luò)都是局域網(wǎng)，為了方便管理，不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)通常會(huì)劃分在不同的局域網(wǎng)網(wǎng)段，相互之間是獨(dú)立的，但管理網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，因此，管理網(wǎng)絡(luò)跟其他網(wǎng)絡(luò)都有連接?，F(xiàn)在大多數(shù)樓宇局域網(wǎng)連接的方法是直接用三層交換機(jī)和路由器進(jìn)行連接，管理網(wǎng)絡(luò)全部暴露在其他子網(wǎng)下，其他局域網(wǎng)可以與管理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)限制通信，這些通信可能是正常的信息上傳，也可能是對(duì)管理局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊，這種連接方式存在極大的安全隱患。
[0004]為了解決這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中對(duì)管理局域網(wǎng)的安全威脅，設(shè)計(jì)了基于FPGA的多功能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是為了解決網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中對(duì)管理局域網(wǎng)的安全威脅而提供的一種基于FPGA的多功能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該設(shè)備能夠很好地解決類(lèi)似社區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)前端網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)的接入問(wèn)題，同時(shí)還提供了非常強(qiáng)的安全保障功能。
[0006]實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的具體技術(shù)方案是:
[0007]一種基于FPGA的多功能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，特點(diǎn)是:該設(shè)備包括千兆以太網(wǎng)接口模塊、固件存儲(chǔ)模塊、控制模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊、時(shí)鐘模塊及電源模塊，所述網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊分別與千兆以太網(wǎng)接口模塊、固件存儲(chǔ)模塊、控制模塊及時(shí)鐘模塊連接，時(shí)鐘模塊分別與控制模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊及千兆以太網(wǎng)接口模塊連接，電源模塊分別與千兆以太網(wǎng)接口模塊、固件存儲(chǔ)模塊、控制模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊及時(shí)鐘模塊連接，為各模塊供電。
[0008]所述網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊包括FPGA芯片和DDR2芯片，實(shí)時(shí)處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)換、過(guò)濾、分包操作。
[0009]所述千兆以太網(wǎng)接口模塊含有兩路獨(dú)立的以太網(wǎng)接口，每一路包含RJ45插座和PHY芯片，兩路以太網(wǎng)接口分別連接不同的局域網(wǎng)，
[0010]所述固件存儲(chǔ)模塊與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊中的FPGA芯片連接，其包括EEPROM存儲(chǔ)芯片和SPI Flash儲(chǔ)存芯片。
[0011]所述控制模塊包括微處理器和SD存儲(chǔ)器，其中微處理器與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊中的FPGA芯片連接。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0013]⑴、通過(guò)FPGA處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的方案，相對(duì)傳統(tǒng)的通過(guò)Linux操作系統(tǒng)處理的方案，該方案具有并行處理、處理速度快，內(nèi)部硬件模塊可定義、靈活性非常大的特點(diǎn)。
[0014]⑵、本實(shí)用新型的安全措施在網(wǎng)絡(luò)層及以下層實(shí)施，在底層應(yīng)用過(guò)濾規(guī)則，對(duì)應(yīng)用層等高層協(xié)議是透明的，本身不易遭受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，大大提高了安全性。
[0015]⑶、考慮到隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在一個(gè)大的物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域可能有比較多的接入點(diǎn)，為了管理方便，采取了網(wǎng)絡(luò)管理的方法，即通過(guò)管理局域網(wǎng)連接到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的同一接口即可訪問(wèn)設(shè)備控制臺(tái)。而通過(guò)前端局域網(wǎng)接口是無(wú)法訪問(wèn)的，物理上即進(jìn)行了隔離，既保證了安全性，又保證了大型系統(tǒng)的可管理性。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)框圖；
[0017]圖2為本實(shí)用新型工作流程圖；
[0018]圖3為本實(shí)用新型應(yīng)用系統(tǒng)連接示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)描述。
[0020]參閱圖1，本實(shí)用新型包括:千兆以太網(wǎng)接口模塊3、固件存儲(chǔ)模塊4、控制模塊2、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊1、時(shí)鐘模塊5、電源模塊6。時(shí)鐘模塊5分別與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊1、控制模塊2及千兆以太網(wǎng)接口模塊3連接；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I分別與千兆以太網(wǎng)接口模塊3、固件存儲(chǔ)模塊4、控制模塊2連接;電源模塊6分別與千兆以太網(wǎng)接口模塊3、固件存儲(chǔ)模塊4、控制模塊2、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I及時(shí)鐘模塊5連接，為各個(gè)模塊供電。
[0021 ] 本實(shí)用新型的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I包括FPGA芯片11和DDR2芯片12兩部分。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I需要實(shí)時(shí)處理兩個(gè)方向的100Mbps的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，連接不同局域網(wǎng)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)換、過(guò)濾、分包等操作。
[0022]本實(shí)用新型的控制模塊2包括微處理器21和SD存儲(chǔ)器22，其中微處理器21與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I中的FPGA芯片11連接?？刂颇K2接收來(lái)自管理局域網(wǎng)的管理信息，根據(jù)不同的管理命令，進(jìn)行狀態(tài)反饋，更新白名單，配置FPGA等操作，使之安全、正確地連接兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。其次，控制模塊2還要記錄工作平臺(tái)的狀態(tài)信息，如平臺(tái)工作環(huán)境、錯(cuò)誤日志等，SD卡存儲(chǔ)這些狀態(tài)信息。
[0023]本實(shí)用新型的千兆以太網(wǎng)接口模塊3含有兩路獨(dú)立的以太網(wǎng)接口，每一路包含RJ45插座32和PHY芯片31兩部分。兩路以太網(wǎng)接口分別連接不同的局域網(wǎng)，PHY芯片31實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)間的轉(zhuǎn)換。PHY芯片31提供RGMII接口與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I中的FPGA芯片11連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
[0024]本實(shí)用新型的固件存儲(chǔ)模塊4包括EEPROM存儲(chǔ)芯片41和SPI Flash儲(chǔ)存芯片42，該模塊與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I中的FPGA芯片11連接。固件存儲(chǔ)模塊4負(fù)責(zé)存儲(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的初始配置文件，上電時(shí)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I從固件存儲(chǔ)模塊4中讀取初始配置文件，設(shè)置內(nèi)部寄存器的值。采用固件雙備份的方案，采用兩種存儲(chǔ)方式一EEPROM和SPI Flash對(duì)固件進(jìn)行存儲(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)處理模塊I優(yōu)先從EEPROM中讀取初始配置文件，若失敗再讀取SPI FLASH中的備份配置文件。
[0025]本實(shí)用新型的時(shí)鐘模塊5為控制模塊2、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I及千兆以太網(wǎng)接口模塊3提供時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。
[0026]本實(shí)用新型的電源模塊6分別為千兆以太網(wǎng)接口模塊3、固件存儲(chǔ)模塊4、控制模塊
2、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I及時(shí)鐘模塊5供電。
[0027]參閱圖2，本實(shí)用新型是這樣工作的:
[0028]上電后，進(jìn)行初始化，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I讀取固件存儲(chǔ)模塊4中的配置信息，建立源MAC、目的MAC、協(xié)議類(lèi)型、源IP、目的IP、源端口、目的端口和對(duì)應(yīng)局域網(wǎng)IP映射表等白名單，并將白名單保存在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I內(nèi)的DDR2中。
[0029]控制模塊2中的微處理器21進(jìn)行初始化后，讀取SD卡中定義的IP地址和端口號(hào)，完成對(duì)自身IP地址和端口號(hào)的設(shè)定，并通過(guò)RMII接口向管理局域網(wǎng)發(fā)送心跳網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，同時(shí)向SD卡寫(xiě)入記錄開(kāi)機(jī)時(shí)間、系統(tǒng)狀態(tài)等日志信息。
[0030]當(dāng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送進(jìn)設(shè)備時(shí)，千兆以太網(wǎng)接口模塊3接收以太網(wǎng)TCP/1P網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，將以太網(wǎng)上的模擬信號(hào)，編碼轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I能夠處理的數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位位寬的并行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以125M的速率傳送給網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I。
[0031]網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I接收到千兆以太網(wǎng)接口模塊3傳送來(lái)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包后，收到一幀數(shù)據(jù)后，提取出數(shù)據(jù)包中的源MAC、目的MAC、協(xié)議類(lèi)型、源IP、目的IP、源端口和目的端口等參數(shù)。將它們與DDR2中存儲(chǔ)的白名單進(jìn)行比較，若均在白名單中，則該幀是合法，根據(jù)參數(shù)決定將數(shù)據(jù)包傳送到控制模塊2還是另外的局域網(wǎng)上;若與白名單不符，則該幀是不合法，將其攔截并丟棄。
[0032]網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I接收到的數(shù)據(jù)是合法的，且數(shù)據(jù)需要傳送到另外一個(gè)局域網(wǎng)時(shí)，根據(jù)白名單中的對(duì)應(yīng)局域網(wǎng)IP映射表參數(shù)，將TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中的源IP、目的IP替換為需要到達(dá)的局域網(wǎng)中的源IP、目的IP，如果數(shù)據(jù)屬于SIP協(xié)議數(shù)據(jù)包，還需要替換SIP協(xié)議內(nèi)部與IP有關(guān)的字段。將新的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行重新校驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)幀長(zhǎng)等操作，完成后將數(shù)據(jù)包送給千兆以太網(wǎng)接口模塊3編碼輸出到以太網(wǎng)上。
[0033]網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I接收到的數(shù)據(jù)是合法的，且數(shù)據(jù)需要傳送到控制模塊2，則網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)包通過(guò)RMII接口傳送給控制模塊2。微處理器21對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果接收到含有配置信息的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，則提取其中的寄存器信息寫(xiě)入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊I，更新DDR2中的白名單信息。如果接收到查詢(xún)命令的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，則微處理器21讀取SD卡中的信息并上傳給管理局域網(wǎng)終端。
[0034]參閱圖3為本實(shí)用新型連接應(yīng)用系統(tǒng)示意圖，圖中N為本實(shí)用新型，A、B、C、D為不同的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。
[0035]圖中，本實(shí)用新型N兩端分別連接不同的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。B、C、D統(tǒng)稱(chēng)為前端網(wǎng)絡(luò)，A為管理局域網(wǎng)；其中B為視頻監(jiān)控網(wǎng)，C為煙霧報(bào)警器網(wǎng)，D為照明控制網(wǎng)。這些網(wǎng)絡(luò)都是局域網(wǎng)，為了方便管理，不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)通常會(huì)劃分在不同的局域網(wǎng)網(wǎng)段，相互之間是獨(dú)立的，但管理網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，因此，管理網(wǎng)絡(luò)跟其他網(wǎng)絡(luò)都有連接。
[0036]不同局域網(wǎng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接后，可以實(shí)現(xiàn)管理網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同局域網(wǎng)訪問(wèn)控制，也能夠監(jiān)測(cè)網(wǎng)關(guān)的信息，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)關(guān)的過(guò)濾功能，可以有效的防止管理網(wǎng)絡(luò)被其他局域網(wǎng)非法訪問(wèn)，有效的保護(hù)了管理網(wǎng)絡(luò)的安全。本實(shí)用新型在轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)過(guò)程是透明的，本實(shí)用新型本身不會(huì)受到攻擊。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于FPGA的多功能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其特征在于:該設(shè)備包括千兆以太網(wǎng)接口模塊、固件存儲(chǔ)模塊、控制模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊、時(shí)鐘模塊及電源模塊，所述網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊分別與千兆以太網(wǎng)接口模塊、固件存儲(chǔ)模塊、控制模塊及時(shí)鐘模塊連接，時(shí)鐘模塊分別與控制模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊及千兆以太網(wǎng)接口模塊連接，電源模塊分別與千兆以太網(wǎng)接口模塊、固件存儲(chǔ)模塊、控制模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊及時(shí)鐘模塊連接，為各模塊供電。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于:所述網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊包括FPGA芯片和DDR2芯片，實(shí)時(shí)處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)換、過(guò)濾、分包操作。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于:所述千兆以太網(wǎng)接口模塊含有兩路獨(dú)立的以太網(wǎng)接口，每一路包含RJ45插座和PHY芯片，兩路以太網(wǎng)接口分別連接不同的局域網(wǎng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于:所述固件存儲(chǔ)模塊與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊中的FPGA芯片連接，其包括EEPROM存儲(chǔ)芯片和SPI Flash儲(chǔ)存芯片。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于:所述控制模塊包括微處理器和SD存儲(chǔ)器，其中微處理器與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊中的FPGA芯片連接。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于FPGA的多功能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其設(shè)備包括千兆以太網(wǎng)接口模塊、固件存儲(chǔ)模塊、控制模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊、時(shí)鐘模塊及電源模塊。本實(shí)用新型為了解決大型局域物聯(lián)網(wǎng)中，尤其是涉及大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)，如視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，管理網(wǎng)與其他前端采集網(wǎng)絡(luò)的安全互聯(lián)問(wèn)題。本實(shí)用新型提供千兆以太網(wǎng)接口處理能力、支持雙向16路靜態(tài)NAT、支持國(guó)標(biāo)SIP穿透NAT功能、具有多種過(guò)濾功能，體積小巧，適合分布式接入安裝，為涉及到高清圖像的物聯(lián)網(wǎng)連接提供了一種全新的解決方案。
【IPC分類(lèi)】H04L12/66, H04L29/06
【公開(kāi)號(hào)】CN205356379
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201620023435
【發(fā)明人】劉一清, 夏鄧偉, 張鼎
【申請(qǐng)人】華東師范大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月29日
【申請(qǐng)日】2016年1月12日