admin 为解决以太无源光网络下行数据传输的不安全性问题，我们提出一种基于时间标签函数的加密方案，来完成下行数据的加密。
一、AES加密算法与时间标签的结合
本文基于时间标签的加密方案将AES算法与时间相结合形成时间函数作为密钥，对下行数据进行加密。AES作为对称加密算法的代表，具有强安全性、高效率等优点，能满足实时性业务的需求，将它与时间相结合，让密钥随着时间动态更新，同时也满足了高安全性的业务。
1、AES加密算法原理
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4种代换进行循环变换所形成的。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。、本文选用最简单的AES-128算法，它需要经过10轮变换，其加解密的原理如图l所示，其中，Ki(i=0，1，．．．，9)表示进行的10轮变换的扩展密钥，每一轮扩展密钥都是由4个字(即16 Byte)组成的。首先鼻输入的明文与岛进入加轮密钥模块，加轮密钥模块主要进行异或操作，然后将异或的结果按顺序依次进行字节代换、行移位、列混合和加轮密钥这4种变换，每完成一次这4种变换即完成了一轮的变换，再重复这样的操作9次，直到进行到第10次操作时，不需要进行列变换，然后直接输出结果，即是加密后的密文。解密过程与加密过程类似，只不过4种变换进行的是逆操作，即每一轮完成的是逆字节变换、逆行移位、逆列混合和加轮密钥4种操作，且扩展密钥是从K9到Ko。
2、MixColumns变换与时间标签的结合
在AES算法的4种变换中，由于字节代换、行移位和加轮密钥都是对数据本身的变换操作，不引入额外的参数，因此选择在MixColumns变换中引入时间标签。MixColumnS变换过程如图2所示，AES-128算法的密钥是一个4 Bytex4 Byte的状态矩阵，每一行和每一列都是由4个字节组成。MixColumns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。
常数矩阵是一个有逆元的多项式；
设要进行MixColumns变换的状态矩阵多项式为：
则MixColumns变换可表述为：
其中，⊕是AES算法中定义的2个多项式的乘法，即模m(x)乘法，因为AES算法是按4 Byte的字进行的，所以m(x)是一个4次多项式，即m(x)=x4+1：
MixColumns变换写成矩阵形式为：
引入时间标签z后，MixColumns变换为：
因为每次提取的时间标签也是一个常数t，所以可以把时间标签放在列变换的常数矩阵中(如式(5)所示），即将常数矩阵乘以时间，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，得到一个与时间有关的新矩阵。这样，经过MixColumns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，即本方案中的AES(t)。由于每次提取的时间标签，都不一样，因此经过MixColumns变换之后，最终形成的密钥也不一样，这样，密钥就会随着时间变化。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f，且逆变换的常数矩阵与正变换的常数矩阵互为逆矩阵。
二、基于时间标签的加／解密模块设计
1、加密定位
本文方案的设计原则是对数据链路层的数据帧进行加密。根据EPON点到多点的结构特征，实际应用中应尽可能不对上层产生太多影响，保持上层的独立性和完整性，基于这种考虑，在媒体接入控制(Media Access Control，MAC)子层和RS(Reconciliation Sub-Iayer)之间增加一个透明的加／解模块，使之对上面的MAC子层来说相当于一个RS，而对下面的RS来说相当于一个MAC子层。这样，密钥不需要通过信道传输，即不会增加额外的成本，也不会对网络的性能影响太大。加／解密模块的内部结构如图3所示。
首先提取发送数据帧中的4 Byte时间标签，把时间标签作为AES加／解密算法的参数，形成与时间有关的时间加密函数AES(t)，将这个函数作为加／解的密钥，然后将输入数据帧和生成的AES(t)-起输入加／解密控制模块，若是下行发送数据，则光线路终端(Optical Line Terminal，OLT)完成加密功能，输出密文发送出去；若是上行发送数据，则OLT完成解密功能，输出明文。ONU端加／解模块功能与OLT一样，是一个对应的关系，只要能保持OLT和ONU两端的同步即可。
在整个设计方案中，最关键的一点就是时间标签与AES加密算法的结合，即时间标签如何与AES加密算法结合形成时间加密函数AES(t)。
2、时间标签的提取与同步
时间标签放在帧中的什么位置和怎样提取，密钥怎样随着时间变化，以及OLT和ONU两端的时间标签如何同步，都是需要重点解决的问题。
借用EPON系统的测距和同步技术，可以在测距的时候提取到时间标签。根据IEEE 802.3ah技术规范，MAC帧的帧结构符合以太网规范，是64~1518可变长度字节帧，且有4 Byte是用来存放时间标签的，因此，可以利用这4 Byte的时间标签并在测距的时候提取。在测距时，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耍进行精测再为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 -定的时间与OLI’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，因此在每次测距的时候，OLT和ONU都能提取时间标签并形成与当前时刻相对应的加／解密密钥，完成数据的加密和解密操作，且密钥随着时间变化，这种实时性和唯一性使系统的安全性大幅度提高。
综上所述，时间标签的提取和同步是基于EPON系统的测距过程，每个ONU都有自己的动态时间标签。在测距的过程中，既完成了OLT和ONU两端时间标签的同步，也达到了密钥的同步和不断更新。
3、加密指示和密钥更新的设计
传输的数据中既有加密的数据”也有没加密的数据，发送端需要给接收端指示，告诉它数据是否进行了加密处理和密钥是否已经更新。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4字节、第5字节被保留，尚未携带具体信息，因此，本文方案利用第5字节的前2 bit来传送加密信息，分别定义为加密指示比特(EIB)和更新指示比特(UIB)，它们在前导码中的位置如图5所示，其中，EIB用于指示数据是否经过加密处理；UIB用于指示当前加密所使用的密钥是否更新。
OLT通过EIB和UIB指示ONU的过程如下：
(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，因此，EIB和UIB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，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EIB设为l，UIB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。这时生成一个新的密钥，用新密钥加密数据后，EIB和UIB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UIB由O跳变到1岛当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a同理，以后的每一个时刻发送数据，EIB一直保持为1，表明数据经过了加密，而UIB则在0和l之间不断发生跳变，表明密钥经过了更新，ONU需用更新后的密钥才能解密。
综上所述，只要EIB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UIB只要发生了跳变，就表示密钥进行了更新，ONU要用更新后的密钥对数据解密。
小知识之以太网无源光网络
以太网无源光网络（Ethernet Passive Optical Network ， EPON） 是一种新型的光纤接入网技术，它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。
