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摘要

面向工业互联网的5G—PROFIBUS-DP网络接入方法研究与实现

随着工业互联网的快速发展和5G网络的普及应用，5G技术在工业领域的应用越来

越广泛，越来越多元化，5G技术与现场总线技术的融合应用已成为行业内的研究热点。

PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，因其独特的技术特点、严格的

认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的和应

用最广泛的现场总线，将其与5G网络相连，可以实现现场设备的远程实时操控，为工

程技术人员远程监控、管理现场设备带来极大便利。

为实现PROFIBUS-DP现场总线与5G网络的互联互通，本项研究在对它们的网络

结构、协议结构进行深入研究和分析的基础上，提出采用网关法来实现这两种异构网络

5GPROFIBUS-DP5GPROFIBUS-DP

的互联，设计了—协议转换流程、—网关总体结构

FPGAPROFIBUS-DP

以及网关内的基于的报文解析和封装模块。

考虑到将PROFIBUS-DP现场总线接入开放的5G网络，打破工业现场原有封闭、

安全的环境引发的数据安全问题，提出利用对称密码中安全性与运算速度均占优的SM4

算法对PROFIBUS-DP总线与5G网络之间传输的数据明文进行加密，保证数据的机密

性。针对SM4算法中固定公开的CK参数和S盒导致密码存在被破译的隐患的问题，

提出了一种基于动态思想的改进的SM4算法，提高了算法被破译的难度；改进的SM4

算法利用LFSR生成的伪随机数替换原本固定公开的CK参数，将使用固定单一的S盒

LFSRSFPGA

替换为基于随机选用的两个盒。在此基础上，设计了相应的基于的改进

的SM4算法模块。

针对改进的SM4算法的随机种子和密钥在传输过程中存在安全风险，以及改进的

SM4算法无法检验数据完整性的问题，提出了一种基于改进的SM4算法的混合加、解

密方法。该方法利用SM2算法对改进的SM4算法的随机种子和密钥进行加、解密，保

证它们在传输过程中的安全性，利用SHA256算法计算数据明文的摘要，检验

PROFIBUS-DP5G

现场总线和网络之间传输的数据的完整性。在此基础上，完成了基

于FPGA的混合加、解密模块的设计。

在PROFIBUS-DP报文解析、封装模块和混合加、解密模块的基础上，完成了基于

FPGA的5G—PROFIBUS-DP网关设计，主要包括网关的数据发送模块和数据接收模块；

QuartusIIModelSim5G—PROFIBUS-DP

并基于和联合平台对网关进行仿真与分析，

I

包括各个子模块的单独仿真以及网关的数据发送模块和数据接收模块的仿真；仿真结果

表明网关的各个子模块设计正确，5G—PROFIBUS-DP网关实现了PROFIBUS-DP报文

PROFIBUS-DP5G

的解析与封装，能有效保证总线与网络互联互通时数据的安全性，

最后从时间资源开销和硬件资源开销两方面分析了本项研究设计的网关的合理性和可

行性。

关键词：

5G，PROFIBUS-DP，数据加密，FPGA，网关

II

Abstract

ResearchandImplementationof5GPROFIBUS-DPNet