一种GPON-AES的FPGA优化实现

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摘要

本文介绍了GPON中嵌入AES算法的过程以及AES加解密算法。对AES计数器模式在GPON中的FPGA实现给出了优化的解决方案，详细介绍了一种轮间流水和轮内流水复用，控制简单的AES的实现方法，并给出了关键时序图和综合结果。

Abstract

This paper describes the procedure of AES encryption in GPON system and the detail method of AES encryption. We come up with a FPGA implementation of AES CTR mode in GPON system. Particularly introduce a more efficiency and more controllable AES implementation for high speed network. Finally provide key timing figure and synthesis results.

关键词 Key Words

GPON Gigabit-capable Passive Optical Networks

AES Advanced Encryption Standard

OLT Optical Line Terminal

ONU Optical Network Unit

1．概述

随着骨干网的高速发展,接入网逐渐成为了信息高速公路的瓶颈。GPON是基于ITU-T G.984.x[1]标准的最新一代宽带无源光网络接入技术。它能提供前所未有的高比特速率(最高可达2.488Gbps)、更高的QOS、以原有数据格式传送、具有极高的效率等优势，越来越被业界认可,将成为FTTH的最主要的接入形式。

2． GPON-AES算法

GPON系统是一个点到多点的系统，对于系统中的上行数据，ONU到OLT为单播方式传输，具有良好的方向性，较难攻击。下行数据为广播式传输，用户在物理上可以接收到OLT发给所有用户的信息，所以恶意用户可以根据接受到的信息，冒充其他ONU用户，从而窃听、盗取他人信息。在GPON启动后，OLT和ONU应通过OMCI通道来协商加密算法。目前GPON仅规定支持AES[2]加密算法。

2.1 AES算法

AES算法是美国标准技术研究所(NIST)于2001年11月正式发布的，它是一种分组加密算法，处理的最小单元是一个分组，即把明文或密文分成固定长度的分组，进而进行加密或解密处理。GPON中使用的就是AES-128，分组大小为128比特，支持的密钥长度也是128比特。

AES算法定义了加密过程和解密过程，对应的流程如图1所示。加密过程和解密过程都是一个周期迭代的过程，对于AES-128迭代次数为10。由于采用了迭代过程，而且每次迭代所需要的密钥也不同，AES算法定义了密钥扩展过程。密钥扩展过程也是一个迭代过程，通过10个周期产生10个不同的密钥供加密和解密使用。