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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:張嘉展
研究生(外文):Chia-Chan Chang
論文名稱:適合電力線家庭網路的介質存取控制層之設計與研發
論文名稱(外文):A Media Access Control Layer with Triple-DES for Power-Line Home-Networking
指導教授:陳中和陳中和引用關係
指導教授(外文):Chung-Ho Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:電機工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:133
中文關鍵詞:電力線家庭網路
外文關鍵詞:powerline homenetworking
相關次數:
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對近年來蓬勃發展的家庭網路而言,如何選擇傳輸媒介是項重要的課題。由於乙太網路必須大量佈線,而無線網路又易受建築結構影響,故以電力線作為網路傳輸媒介的相關研究逐漸受到重視。電力縣家庭網路的好處是不用重新配置線路,且訊號傳輸不受建築結構影響。然而由於家庭中所有電力插座都連接同一條電力線,等於將所有裝置都接在同一條傳輸媒介上。這種現象會造成隱私性與安全性的問題,任何人都有機會經由任意一個電力插座竊取資訊,或干擾電力線家庭網路的運作。這個問題可藉由將裝置予以編號,用類似乙太網路IP的方式進行管理。然而隨著裝置數量的增多,這種管理方式便顯得缺乏效率且過於麻煩。

因此,我們設計了一個整合Triple-DES密碼系統的介質存取控制層,並稱之為TDMAC,來處理電力線家庭網路的隱私權問題。在我們所設計的系統中,整個電力線家庭網路會被規劃為多個邏輯網路(Logical Network),每個裝置至少必須加入一個邏輯網路,而一個邏輯網路中的所有裝置將會共用一個加密金鑰。在這種機制下,即使取得封包,若不知道金鑰,亦無法取得真正的訊框內容。同理,若有人欲送出封包來干擾電力線家庭網路的運作,也會因為接收裝置無法解密,而將該封包丟棄。藉由這種方法,我們能夠有效降低電力線家庭網路在隱私性上的影響。

我們以Verilog程式語言進行IP Core的設計,並進行波形模擬。波形模擬結束後,我們同時以FPGA驗證流程以及Cell-Based驗證流程進行TDMAC的運作測試,以確定我們所設計出的TDMAC的功能可否正常運作。
The development of power-line based home-network is growing up in these years. The advantage of using power-line as communication medium is that it is ready-made. Nevertheless, since the power-line is not design for data transmission, there are some problems for power-line based home-network. For example, since all buildings in a community share a common power line, there will be some privacy and security issues between two adjacent homes. The control frame from my home may affect the operation of my neighbors’ home network, and meanwhile, everyone can try to shut down my security system from any outlet nearby. For a small LAN, we can just assign every devices a particular number and manage it, but it is just a temporary solution to the problem.

Therefore, we propose a media access control layer that integrates a triple-DES cryptographic system called the TDMAC. In our point of view, a whole home-network system can be subdivides into some logical networks. Each power-line based home-network device must at least participate in a logical network, and all devices in a logical network will share a set of triple-DES key. When a device sends a frame, only devices that have keys can understand the content of this frame, while other devices will discard it as garbage packet. In this mechanism, the affect of privacy and security issues is tremendously reduces.

We design the IP core of TDMAC by verilog programming and carryout the wave simulation result. Then we verify the function of the TDMAC by both the FPGA verification flow and the Cell-Based verification flow, and make sure that this IP core is correctly operate.
Chapter 1. 緒論 13
1.1. 家庭網路概述 13
1.1.1. 為何傳統雙絞線式乙太網路不適合家庭網路 13
1.1.2. No New Wire 13
1.2. 研究動機與方向 14
1.2.1. 電力線網路的優勢與缺點 14
1.2.2. 建立具有高隱私性與區隔性的電力線網路 14
1.3. 章節介紹 15
Chapter 2. 相關研究成果 16
2.1. 社區電力線路基礎架構 16
2.2. 定義電力線通訊網路 17
2.2.1. Access Network與In-Home Network 17
2.2.2. 電力抄表系統 19
2.3. 以電力線作為傳輸媒介的困難處 20
2.3.1. 雜訊量偏高 20
2.3.2. 訊號衰竭的情況無法控制 21
2.4. 介質存取方式比較 23
2.4.1. CSMA/CA 23
2.4.2. ACT/SST Protocol 26
2.4.3. CSMA/CDCR 29
2.5. 加解密方式比較 30
2.5.1. DES-56 30
2.5.2. Triple-DES 34
2.5.3. AES 35
2.6. 電力線家庭網路實體層 38
2.6.1. OFDM Encoder 38
2.6.2. Mapping Function 42
2.7. 本章結論 44
Chapter 3. TDMAC系統架構 45
3.1. TDMAC系統架構 45
3.2. 介質存取控制層 49
3.2.1. 與Encryption Process及Decryption Process的介面 49
3.2.2. Registers 50
3.2.3. MAC Control Module 50
3.2.4. TXMAC 51
3.2.5. RXMAC 58
3.2.6. Media Independent Interface Management (MIIM) 61
3.2.7. WISHBONE Interface Controller 63
3.3. Descriptors 64
3.3.1. DMA Descriptor 64
3.3.2. TX Buffer Descriptor (TXBD) 66
3.3.3. RX Buffer Descriptor (RXBD) 70
3.4. Encryption Process Unit 72
3.4.1. Encryption FIFO 1 (ENCFIFO 1) 72
3.4.2. Triple-DES Encryption 74
3.4.3. Write Enable Counter (WE Counter) 74
3.4.4. Encryption FIFO 2 (ENCFIFO 2) 75
3.5. Triple-DES Decryption Process 76
3.5.1. Decryption FIFO 1 (DECFIFO 1) 76
3.5.2. Triple-DES Decryption 77
3.5.3. Decryption FIFO 2 (DECFIFO 2) 78
3.6. 本章結論 78
Chapter 4. 系統功能測試 79
4.1. Triple-DES加解密運算驗證 80
4.1.1. Triple-DES加密器功能驗證 80
4.1.2. Triple-DES解密器功能驗證 83
4.2. Encryption Process Unit加密功能驗證 85
4.2.1. ENCFIFO 1功能驗證 85
4.2.2. Triple-DES加密器功能驗證 86
4.2.3. ENCFIFO 2功能驗證 86
4.3. Decryption Process解密功能驗證 88
4.3.1. DECFIFO 1功能驗證 88
4.3.2. Triple-DES解密器功能驗證 89
4.3.3. DECFIFO 2功能驗證 89
4.4. 介質存取控制層傳送功能驗證 91
4.4.1. 介質存取控制層初始化 91
4.4.2. 與DMA之間的運作驗證 92
4.4.3. 產生封包並傳送的功能驗證 94
4.4.4. 傳送封包時發生碰撞 97
4.4.5. 傳送封包時發生Buffer Underrun 98
4.4.6. 傳送封包時發生訊框過長的現象 99
4.5. 介質存取控制層接收功能驗證 100
4.5.1. 介質存取控制層初始化 100
4.5.2. 接收封包並取出訊框的功能驗證 100
4.5.3. 封包目標位址錯誤 103
4.5.4. 接收工作時發生訊框過長 104
4.5.5. 接收工作時發生CRC碼錯誤的狀況 105
4.6. TDMAC整體功能驗證 106
4.6.1. 傳送功能測試 106
4.6.2. 接收功能測試 108
4.7. 實作成果報告 109
4.7.1. FPGA驗證流程 109
4.7.2. Cell-Based設計流程 110
4.8. 本章結論 110
Chapter 5. 結論 111
Reference 112
附錄A. 介質存取控制層的暫存器組 113
附錄B. DMA Engine的暫存器組 121
附錄C. NIST所提供的Triple-DES測試用數據 125
[1] Ascom Inc., “Powerline Communication WhitePaper”, 2000, http://www.ascom.com
[2] Consumer Electronic Group of EIA, “EIA-600.31 Power Line Physical Layer and Medium Specification”, 1992, http://www.cebus.org & http://www.eia.org
[3] Cogency Semiconductor Inc., “Data Communications over Power Lines”,1993
[4] Consumer Electronic Group of EIA, “EIA-709.2 Control Network Power Line (PL) Channel Specification”, 1999, http://www.echelon.com, http://www.eia.org
[5] Computer Security Resource Center (CSRC), Nation Institute of Standard and Technology(NIST), http://csrc.nist.gov/encryption
[6] Ching-Nung Yang, “Introduction to OFDM”, 2001, http://sna.csie.ndhu.edu.tw/~cnyang/MCCDMA/
[7] Enikia Inc., http://www.enikia.com
[8] HomePlug Powerline Alliance, ”HomePlug 1.0 Specification”, 2001, http://www.homeplug.org
[9] Inari Inc., “Powerline Coexisrence White Paper”, 2001, http://www.inari.com
[10] L.T. Tand, P.L. So, E.Gunawan, S.Chen, T.T. Lie, Y.L. Guan, “Characterization of Power Distribution Lines for High-Speed Data Transmission”, Power System Technology, 2000. Proceedings. PowerCon 2000. International Conference on , Volume: 1 , 2000 , Page(s): 445 -450 vol.1
[11] Tim Greem, “X10 FAQ”, 1996, http://www.x10.com
[12] William Stallings, “Cryptography And Network Security Principles and Practice 2nd edition”, pp.65-75, 1995
[13] William Stallings, “Cryptography And Network Security Principles and Practice 2nd edition”, pp.93-99, 1995
[14] Wade D. Peterson, “WISHBONE System-on-Chip Interconnection Architecture for Portable IP Cores “, www.silicore.net & www.opencores.org
[15] Wade D. Peterson, “WISHBONE DMA Architecture for Portable IP Cores “
www.silicore.net, www.opencores.org
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