CN102264013B

CN102264013B - 一种基于时间标签的epon加密方法

Info

Publication number: CN102264013B
Application number: CN 201110263367
Authority: CN
Inventors: 殷爱菡
Original assignee: 殷爱菡
Current assignee: East China Jiaotong University
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: CN102264013A

Abstract

本发明公开一种基于时间标签的EPON，针对EPON中安全性要求高的OAM、MAC帧和认证信令业务，提出了一种基于时间标签的加密方案。该方案是将AES算法与EPON系统测距过程提取的时间标签相结合，形成与每个ONU时间相关的密钥，进行加/解密。密钥是随着时间标签动态更新的，在保证密钥安全的基础上全面保障安全性要求高的业务。另外，为了保持密钥的更新与同步，在数据帧的前导码中引入两个指示比特。密钥的这种唯一性和安全性，充分保障了认证信令和最高级别业务的安全。

Description

一种基于时间标签的EPON加密方法

技术领域

本发明涉及光通信技术及光接入网技术EPON（以太无源光网络）的安全通信领域，尤其涉及用来对三网融合中的保密业务进行加密和解密的基于时间函数的加密方案。

背景技术

近几年，随着电信网、广播电视网和互联网三网融合的快速推进，我国将在2013年至2015年，全面实现三网融合业务。在三网融合业务中，PON（无源光网络）是解决FTTH（光纤到户）的主要技术，而基于以太网的EPON是目前应用最成熟也是最理想的接入网方案。EPON是一种融合了以太网和无源光网络优点的接入网技术，既能充分利用现有的以太网资源，又能有效地支持IP数据的传输。

然而EPON是一个点到多点的系统，下行信道以广播方式发送给与之相连接的所有ONU（光网络单元），每个ONU仅仅根据分配到的LLID（逻辑链路标识）来决定是否接收数据，一旦攻击者把ONU设置成“混杂”模式，它将能接收到所有的下行传输信息。另一方面，EPON系统具有自动发现功能，对于新加入的ONU可以自动完成注册，如果ONU不采取任何认证措施，那么非法ONU将会随意接入到系统，对网络构成极大的安全威胁。同时，由于以太网帧结构的透明性，非法用户可以依据该结构伪造MAC（媒质接入控制）帧和OAM（运行管理维护）帧，并利用分配好的上行时隙发送，不仅可以使用控制帧骗取授权信息，而且可以利用OAM帧更改系统参数甚至捣毁系统。因此，MAC帧和OAM帧的安全保障在EPON中显得尤为重要，目前没有特别理想的安全措施来解决这一隐患。

现有的一些加密措施中，基本上采用AES（高级加密标准）、DES（数据加密算法）、3DES（三重搅动算法）对数据进行加密，或者是将2种加密算法相结合，如AES和ECC（椭圆曲线密码）算法相结合。当然，也有对业务进行分级的加密方法，根据业务对安全性和实时性的不同需求，对不同的业务采用不同的加密算法。这些方法对安全性要求不是很高的数据业务，以及语音、视频业务而言，是能够满足其安全需求的。但是，对于OAM、MAC帧和认证信令业务，它们对安全性要求非常高，现有的加密措施都不能保证其安全，故需要设计一种新的加密方法来保证它们的安全性。本发明为了保证密钥的安全性和唯一性，让AES算法与时间标签相结合形成密钥，而时间标签是在OLT对每个ONU测距的时候提取的，每个ONU测距的时间标签都是不同的，且随着时间变化，因此，每个ONU的密钥也是随着时间在变化，这样既达到了密钥的唯一性，也提高了密钥的安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时间标签的EPON加密方法，该方法实现密钥的动态更新，达到密钥的唯一性，以确保密钥的绝对安全。。

本发明的技术方案为：一种基于时间标签的EPON加密方法，其步骤包括：a 首先在EPON测距的控制帧中提取4个字节的时间标签；b 将AES算法与时间标签相结合，形成时间函数，将这个时间函数作为密钥；c 将输入数据与密钥一起进入加/解密模块；d 在OLT局端，若是发送下行数据，则OLT端完成加密功能，输出密文发送出去给用户端ONU；若是上行发来的数据，则OLT端完成解密功能，输出明文；e在ONU用户端，若是接受下行发来的数据，则ONU端完成解密功能；若是发送上行数据，则ONU端完成加密功能，并把密文发给OLT。

时间标签是在EPON系统测距的时候提取，在测距的GATE和REPORT帧结构中，有专门的4个字节是用于放置时间标签的，每个ONU对应一个时间标签，测距的同时可完成OLT和ONU两端时间标签的同步。每个ONU在测距过程中时间标签是不断变化的，因此密钥也随着时间标签动态更新，发送端需要给出相应的指示，接收端才能判断接收到的数据是否经过了加密处理，以及密钥是否经过了更新。在EPON的帧结构中的前导码八个字节里，有三个字节是保留字节，没有填充任何信息。本发明设计在前导码的第五个字节的头两个比特中引入指示信息，这两个比特包括加密指示比特EIB和密钥更新指示比特UIB，指示比特在0和1之间来回变换，用于密钥的动态更新和同步。

本发明的优点在于：在加密算法上引入了时间函数，让密钥保持与时间的同步，实现密钥的动态更新，保证密钥的绝对安全；本发明在不改动现有芯片结构和不增加硬件成本的基础上，对加密方法做了创新性设计；本发明克服了传统加密方法中存在的缺陷，充分保障了EPON系统中的安全性。

附图说明

图1为本发明基于时间函数的加/解密流程图；

图2为本发明使用的AES算法和时间标签相结合的流程图；

图3为本发明的时间标签4个字节在测距控制帧中的位置示意图；

图4为本发明的时间标签的同步原理示意图；

图5为本发明加密指示比特（EIB）和更新指示比特（UIB）设计的示意图。

具体实施方式

一种基于时间标签的EPON加密方法，具体实施方式如下：

A、列混合变换与时间标签的结合

AES是一个对称密码，它是由字节代换、行移位、列混合和加轮密钥这四种代换进行循环变换所形成的。分组长度为128bits，而密钥的大小可以为128bits，192bits，256bits，根据所选密钥大小的不同，可以分别进行10轮，12轮和14轮的变换，本发明选用最简单的AES-128算法，如图2所示。

在AES算法的四种变换中，由于字节代换、行移位和加轮密钥这三种变换都是对数据本身的变换操作，不引入额外的参数，故选择在列混合变换中引入时间标签。AES-128算法的密钥是一个4×4 bytes的状态矩阵，每一行和每一列都是由4个字节组成。列混合变换是把状态矩阵中的每一列都与一个常数矩阵相乘，得到一个新的列，然后把变换后的新列重新组合成一个新的状态矩阵。

AES算法的常数矩阵是一个有逆元的多项式：

Figure 2011102633679100002DEST_PATH_IMAGE001

(1)

设要进行列混合变换的状态矩阵多项式为：

(2)

故列混合变换可表述为：

Figure 2011102633679100002DEST_PATH_IMAGE003

, (3)

Figure 2011102633679100002DEST_PATH_IMAGE005

是AES算法中定义的两个多项式的乘法，即模m(x)乘法，因为AES算法是按4 bytes的字进行的，故m(x)是一个4次多项式，即

。

列混合变换写成矩阵形式为：

(4)

式（4）可简写为：

(5)

引入时间标签t后，列混合变换矩阵如下：

Figure 2011102633679100002DEST_PATH_IMAGE009

(6)

鉴于每次提取的时间标签也是一个常数t，故可以把时间标签放在列变换的常数矩阵里面（如式（6）所示），即将常数矩阵乘以时间t，形成一个新的常数矩阵，再将这个新的常数矩阵与状态矩阵的每一列相乘，得到的是一个与时间有关的新矩阵。这样，经过列混合变换形成的将是与时间有关的新状态矩阵。当完成了10轮变换之后，最后输出的结果将是与时间有关的密钥，即本方案中所说的时间函数f (AES, t)。由于每次提取的时间标签t都不一样，故经过列混合变换之后，最终形成的密钥是也是不一样的，这样，密钥就随着时间在变化。同样，解密的过程与加密类似，即解密是在逆列混合的常数矩阵中引入时间t，且逆变换的常数矩阵与正变换的常数矩阵互为逆矩阵。

、时间标签的提取与同步

本发明基于时间标签的加密方案中，对于时间标签的位置和提取，以及密钥怎样随着时间变化，这些问题都是本发明的又一个关键。

本发明借用时间标签法测距的思想，让时间标签在MAC子层的不同控制帧中传递，然后在测距的时候提取时间标签。根据EPON标准IEEE 802.3ah技术规范，收发数据由5个特定MAC帧来承载，帧的字节符合以太网规范，是64到1518可变长度字节帧。图3是EPON规定的MAC层最小帧结构，除去8个字节的前导码，正好为64个字节。其中，包含时间标签的是4个字节。测距时，下行的时间标签放在OLT发给ONU的Gate控制帧中，上行的时间标签放在ONU发给OLT的Report控制帧中。

EPON系统采用时间标签法进行测距来保证收发同步，即每次发送数据之前要进行精测来为ONU分配带宽。如图4所示，OLT、ONU两端有同频系统时钟，OLT以一定的时间间隔给每个ONU发送当前OLT的时间标签值，ONU收到该时间标签后，用该时间标签值来刷新ONU当前时间标签，这样保证ONU以落后于OLT一定的时间同OLT在时间上同步，这时ONU也可以获得并提取这个时间标签。由于EPON中要求对所有ONU进行实时测距，因此，可以在每次测距的时候都提取时间标签，并将时间标签作为AES加密算法的参数形成时间加密函数，把这个时间加密函数作为每个ONU特定的密钥，而这个密钥是不需要通过信道传输的，这种唯一性和实时性提高了密钥的安全。

、加密指示比特位置的设计及密钥同步

传输的数据中既有加密的数据，也有没加密的数据，接收端如何判断数据是否经过了加密处理以及密钥是否经过了更新，这都需要在发送端给出指示。鉴于前导码在EPON系统中不进行加密处理，有关加密的指示信息可以选择在前导码中携带。目前前导码中只有第四、五字节被保留，尚未携带具体信息。因此，本发明利用第5字节的前两个比特来传送加密信息，分别定义为加密指示比特和更新指示比特，它们在前导码中位置如图5所示，其中加密指示比特用于指示数据是否经过加密处理，更新指示比特用于指示当前加密所使用的密钥有没有更新。

(1)在系统初始时刻，OLT和ONU没有建立逻辑链接之前，没有数据发送，也不存在加密的问题，故加密指示比特和更新指示比特都为0，表示链路尚未进行加密。

(2)当ONU向OLT发送注册响应帧表示注册完成时，OLT开始向ONU发送数据，在发送数据之前OLT完成了对ONU的测距。在OLT端，首先提取当前时刻的时间标签，形成时间函数对要发送的数据进行加密，并将加密指示比特设为1，更新指示比特设为0，表明数据经过了加密处理，但是密钥为初始密钥，尚未更新。当ONU收到OLT发送的数据后，先检测指示比特的变化，然后用ONU相对应的时间标签密钥对数据进行解密。

(3)第2次要发送数据时，同样在OLT端提取当前时刻的时间标签，这时生成的是一个新的密钥，用新密钥加密数据后，加密指示比特和更新指示比特都设为1，表明数据经过了加密处理，且密钥经过了更新，因为更新指示比特由0跳变到1。当ONU收到数据后，需用第2次测距的时间标签生成的新密钥才能解密数据包。

(4)第3次要发送数据时，同样在OLT端产生这一时刻的新密钥，这时，加密指示比特仍然为1，而更新指示比特变为0，表明数据经过了加密处理，且加密密钥是更新密钥，因为更新指示比特由1跳变到0。当ONU收到后，需用第3次测距产生的时间标签生成的新密钥才能解密数据包。

综上所述，可以总结为：只要加密指示比特为1，就表示数据经过了加密处理，ONU就要对数据进行解密；而更新指示比特不管是从0跳变到1还是从1跳变到0，只要发生了跳变，就表示密钥进行了更新，ONU就要用更新后的密钥对数据进行解密。

Claims

1.一种基于时间标签的EPON加密方法，其步骤包括：(a) 首先在EPON测距的控制帧中提取4个字节的时间标签；(b) 在AES算法的列混合变换中引入时间标签，和列混合变换矩阵相结合形成一个与时间相关的状态矩阵，时间标签是一个常数t，故可以把时间标签放在列变换的常数矩阵里面，即将常数矩阵乘以时间t形成一个新的常数矩阵，再将这个新的常数矩阵与状态矩阵的每一列相乘，得到一个与时间相关的新矩阵，这样在AES-128的10轮变换后，最后输出的结果将是与时间有关的密钥；(c) 将输入数据与密钥一起进入加/解密模块；(d) 在OLT局端，若是发送下行数据，则OLT端完成加密功能，输出密文发送出去给用户端ONU；若是上行发来的数据，则OLT端完成解密功能，输出明文；(e)在ONU用户端，若是接受下行发来的数据，则ONU端完成解密功能；若是发送上行数据，则ONU端完成加密功能，并把密文发给OLT。

2.根据权利要求1所述基于时间标签的EPON加密方法，其特征在于：时间标签是在EPON系统测距的时候提取，在测距的GATE和REPORT帧结构中，有专门的4个字节是用于放置时间标签的，每个ONU对应一个时间标签，测距的同时可完成OLT和ONU两端时间标签的同步。

3.根据权利要求1或2所述基于时间标签的EPON加密方法，其特征在于：每个ONU在测距过程中时间标签是不断变化的，因此密钥也随着时间标签动态更新，发送端需要给出相应的指示，接收端才能判断接收到的数据是否经过了加密处理，以及密钥是否经过了更新。

4.根据权利要求1或2所述基于时间标签的EPON加密方法，其特征在于：在EPON的帧结构中的前导码八个字节里，有三个字节是保留字节，没有填充任何信息;本发明设计在前导码的第五个字节的头两个比特中引入指示信息，这两个比特包括加密指示比特EIB和密钥更新指示比特UIB，指示比特在0和1之间来回变换，用于密钥的动态更新和同步。