EPON系统安全性研究与解决方案

论文摘要

接入网技术与骨干网技术发展的巨大差异导致了制约互联网进一步发展的新瓶颈的产生。以太无源光网络（EPON-Ethernet Passive Optical Network）技术正是在这种形势下诞生的。基于以太网的EPON是利用PON的拓扑结构实现以太网的接入,具有易维护、带宽高、成本低和业务功能灵活等优点,被认为是一种最佳的宽带光纤接入网技术,是实现光纤到户的理想选择之一。由于EPON采用共享型的拓扑和下行数据广播方式,不可避免地存在安全威胁。EPON要作为商用运营网还有许多关键问题需要解决,安全问题就是其中之一。本论文根据802.3 EFM工作组对于EPON系统的相关建议和802.3ah协议,详细分析了EPON网络中存在的安全隐患,在分析现有的增强EPON系统安全性解决方案的基础上,结合EPON的特点和多业务对安全性和时延的不同需求,提出了一种新的解决方案。该方案根据多业务对安全性和时延的需求,对EPON中的多业务进行分类,然后为不同类型的业务采用不同的加密算法（对时延敏感而安全性要求相对较低的实时业务采用三重搅动算法,对时延不太敏感但安全性要求较高的数据业务采用高级加密标准AES算法进行加密）并为用户和ONU的鉴权以及密钥交互设计了相关的协议,从而进一步增强了系统的安全性。该方案主要通过采用以下措施减小加解密过程给系统性能带来的影响,从而满足了EPON系统对安全性、时延性、效率和成本的需求:1.对AES算法进行简化,并为其在EPON系统中实现选择合适的工作模式。2.引入流水线技术,采用可编程门阵列（FPGA）,基于超高速集成电路硬件描述语言（VHDL）来实现数据的加解密。3.结合EPON帧结构特点,对密钥交互过程进行了简化设计,减少了密钥交互过程所需传送的帧的数量。论文的主体始终围绕着这一解决方案进行展开。首先,详细分析了EPON系统存在的安全威胁,提出EPON的安全需求;然后根据这些需求设计并实现相应的安全措施,如:设计用户和ONU的鉴权协议、设计密钥交互协议、实现适合EPON安全需求的加解密模块。加解密模块的设计和实现部分主要给出了功能模块的端口和状态机的描述。最后给出了加解密模块部分的仿真结果和基于该结果的分析,验证设计方案的正确性和优越性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 接入网发展现状与发展趋势
• 1.3 EPON安全系统研究现状
• 1.4 论文研究的意义
• 1.5 论文研究的主要内容和论文结构安排
• 第二章 EPON技术简介
• 2.1 EPON的由来
• 2.2 EPON技术的优点
• 2.3 EPON工作原理
• 2.4 EPON帧格式
• 2.5 EPON分层模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 EPON系统安全需求
• 3.1 网络安全基础
• 3.2 EPON系统存在的安全威胁
• 3.2.1 窃听
• 3.2.2 拒绝服务
• 3.2.3 假冒和偷窃服务
• 3.3 EPON系统安全需求
• 3.4 本章小结
• 第四章 EPON安全系统的设计
• 4.1 EPON安全系统总体设计
• 4.2 EPON安全系统ONU端设计
• 4.3 EPON安全系统OLT端设计
• 4.4 EPON安全系统加密算法的选择
• 4.4.1 几种加密算法的比较
• 4.4.2 EPON系统加密应考虑的问题
• 4.5 EPON鉴权协议的设计
• 4.5.1 用户鉴权协议的设计
• 4.3.2 ONU鉴权协议的设计
• 4.6 密钥交互协议的设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 EPON系统加解密模块的设计与实现
• 5.1 AES算法原理
• 5.1.1 轮变换
• 5.1.2 密钥扩展
• 5.2 AES算法的简化
• 5.3 AES算法的FPGA实现
• 5.3.1 EPON对加密电路的需求
• 5.3.2 硬件选择
• 5.3.3 AES算法工作模式的选择
• 5.3.4 用流水线实现AES算法
• 5.3.5 加解密模块的顶层设计
• 5.3.6 加解密模块的底层设计
• 5.3.6.1 数据位宽转换模块的设计与实现
• 5.3.6.2 控制模块的设计与实现
• 5.3.6.3 加解密算法模块的设计与实现
• 5.4 三重搅动算法的FPGA实现
• 5.4.1 算法原理
• 5.4.2 加解密模块的顶层设计
• 5.4.3 加解密模块的底层设计
• 5.4.3.1 搅动解搅动模块的设计与实现
• 5.4.3.2 加搅模块的设计与实现
• 5.5 加解密模块设计过程中的几点讨论
• 5.5.1 加密计数值的校准
• 5.5.2 对非128比特帧的处理
• 5.6 本章小结
• 第六章 实验结果分析
• 6.1 AES加解密模块的仿真
• 6.1.1 位宽转换模块的仿真
• 6.1.2 算法模块的仿真
• 6.1.3 顶层模块的仿真
• 6.2 三重搅动加解密模块仿真
• 6.3 设计方案评价
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 未来研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果