電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的安全通信方案

徐迎暉，徐曉暉

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣州 510006；2.北京華電云通電力技術(shù)有限公司，北京 100069）

0 引言

電力系統(tǒng)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的對象已經(jīng)構(gòu)成了一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，通信過程中傳輸?shù)南⑼ǔＪ敲魑男问?，監(jiān)控命令和數(shù)據(jù)可能會遭到竊聽、篡改和惡意偽造等攻擊，存在許多安全隱患，有必要采取措施保障通信的安全。

目前大部分智能裝置未進(jìn)行加密處理，它們能夠適應(yīng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控通信速度約為20Kbps～30Kbps，可供升級利用的冗余資源不多。為盡可能的利用現(xiàn)有投資，安全通信方案應(yīng)盡量降低升級或附加設(shè)備所需的成本，這就要求安全通信所需的額外數(shù)據(jù)傳輸開銷和運(yùn)算量要盡可能地小。此外，由于遠(yuǎn)程監(jiān)控對象的數(shù)量眾多且分布廣泛，單個對象的功能較為單一，因此在實(shí)際應(yīng)用中，安全通信方案應(yīng)當(dāng)進(jìn)行一定的簡化。

這方面已經(jīng)有許多研究，文獻(xiàn)[1]提出一時一密的非對稱算法，但是終端需要向主站端請求密鑰，存在被竊聽的可能。文獻(xiàn)[2]提出對104規(guī)約進(jìn)行加密的對稱算法，而安全通信要求密鑰能經(jīng)常修改。文獻(xiàn)[3,4]分析了應(yīng)用日趨廣泛的GPRS的加密方案，需要認(rèn)證服務(wù)器，投資較大，應(yīng)用也較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[5]提出用于變電站的加密模塊的實(shí)現(xiàn)方案，主要用于以太網(wǎng)通信，對于線路上的智能設(shè)備和低速通信，可以進(jìn)行一定的簡化。

本文提出一種非對稱和對稱式結(jié)合的安全通信方案，可解決當(dāng)前電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控通信中常見的安全問題。 本方案可在8～16位微控制器上實(shí)現(xiàn)，且不更改現(xiàn)有系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，具有成本較低和易于升級的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有的電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控方案中，一般由主站對各個遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)查詢，采集遙測量和遙信量，進(jìn)行分析后向遠(yuǎn)程設(shè)備發(fā)送必要的控制命令。改進(jìn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，改進(jìn)的系統(tǒng)盡量保持了現(xiàn)有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，附加了少量的軟硬件資源，用來解決實(shí)際應(yīng)用中常見的若干通信安全隱患。

圖1 安全通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)的系統(tǒng)在主站端增加了安全服務(wù)器，負(fù)責(zé)處理一些復(fù)雜工作，包括消息的加密和解密、消息認(rèn)證、以及密鑰管理和分發(fā)等。遠(yuǎn)程設(shè)備端則附加了安全模塊，其性能有限，完成的工作包括消息的加密和解密、消息認(rèn)證和密鑰接收等。主站端的安全服務(wù)器和遠(yuǎn)程端的安全模塊之間的通信信道傳輸?shù)氖羌用芎蟮男畔?，其它設(shè)備仍保持原有的工作方式，因此對于上層用戶來說，安全通信過程是透明的。通信密鑰的傳輸可以通過其它安全信道，如GSM網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等?？紤]到遠(yuǎn)程監(jiān)控通信規(guī)約中存在許多冗余信息，也可以將通信密鑰隱藏在冗余信道中傳輸。在具體的實(shí)現(xiàn)上，本安全通信方案在實(shí)現(xiàn)重要功能的前提下，進(jìn)行了一定的簡化。

遠(yuǎn)程端附加的安全模塊硬件性能有限，不能進(jìn)行高強(qiáng)度的計算，存儲容量也較小。為提高運(yùn)算速度，本方案對監(jiān)控數(shù)據(jù)采用對稱加密方案，該對稱加密方案中的私鑰經(jīng)過非對稱加密后進(jìn)行傳輸和更換，通信的保密性依賴于非對稱方案中的私鑰。遠(yuǎn)程監(jiān)控端所需的“公鑰—私鑰”對則由主站系統(tǒng)產(chǎn)生和管理。由于其更換并不頻繁，為降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，非對稱方案中私鑰可以通過其它安全通信信道發(fā)送，或者采取信息隱藏技術(shù)利用現(xiàn)有的冗余信道進(jìn)行傳輸。

為防止未授權(quán)用戶的非法操作，遠(yuǎn)程監(jiān)控端可對主站所發(fā)出的重要指令進(jìn)行認(rèn)證?？紤]到安全問題的危害性，為降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，只針對主站發(fā)送的消息進(jìn)行認(rèn)證。在主站端的安全服務(wù)器上設(shè)置密鑰分發(fā)中心，認(rèn)證過程使用Feige-Fiat-Shamir協(xié)議加速認(rèn)證過程。

為保證數(shù)據(jù)的完整性，采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法檢測錯誤和篡改的發(fā)生，對加密數(shù)據(jù)附加循環(huán)冗余碼CRC。對于較短的數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)和CRC碼同時分為多個部分再進(jìn)行合并。

另外，在主站系統(tǒng)中設(shè)計相應(yīng)的監(jiān)控記錄軟件，記錄重要的通信數(shù)據(jù)，并制定一定的操作規(guī)范來記錄和管理主站的歷史操作。

2 加密

本方案中，采用對稱加密方案加密監(jiān)控數(shù)據(jù)，對稱加密采用3DES 64位分組密碼算法降低運(yùn)算量。由于遠(yuǎn)程監(jiān)控數(shù)據(jù)對安全性的要求不十分高，在實(shí)際應(yīng)用中使用2個64位的密鑰，密鑰的有效長度為112位。3DES密碼算法的運(yùn)算速度快，能夠適應(yīng)監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸速度。3DES密碼算法中所使用的密鑰由非對稱橢圓曲線密碼體制進(jìn)行加密，并通過主站系統(tǒng)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控端，該密鑰可隨加密的監(jiān)控數(shù)據(jù)一起傳輸，密鑰更換可以相對頻繁。橢圓曲線密碼方案中的“公鑰—私鑰”密鑰對的計算量大，更新周期較長。橢圓曲線密碼的計算雖然需要消耗較長時間，但是它的發(fā)生頻率低，可以將其安排在數(shù)據(jù)監(jiān)控的間隙。此加密方案已能夠滿足實(shí)際的保密需求，而且適合低性能低成本的微控制器實(shí)現(xiàn)。

通信的保密性依賴于橢圓曲線密碼方案中的私鑰。定義在有限素整數(shù)域GF(p)(p≠2,3)上的橢圓曲線E，其方程描述為：E:y2= x3+ ax+b(mod p)

其中4a3+ 27b2(mod p)≠0。伴隨一個附加的點(diǎn)O，稱為無窮遠(yuǎn)點(diǎn)，點(diǎn)集合E可以構(gòu)成一個有限交換群，而O為該群加法單位元。GF(p)上橢圓曲線點(diǎn)群加法規(guī)則可利用“正切與弦”規(guī)則給出。

設(shè) P=(x1, y1)∈GF(p)，是橢圓曲線E上一個點(diǎn)， 則 -P=(x1,-y1)。

設(shè) Q=(x2, y2)∈GF(p)且Q≠-P，則點(diǎn)加R=P+Q=(x3, y3)的計算公式為：

乘法則定義為重復(fù)相加。

ECC建立在基于橢圓曲線離散對數(shù)的問題：給定一條定義在有限域GF(p)上橢圓曲線E，一個階為n的點(diǎn)P ∈E及一個點(diǎn)Q=kP，其中0 ≤ k ≤n-1，確定k。

橢圓曲線密碼涉及到的主要算法歸結(jié)為兩類：1）橢圓曲線上點(diǎn)運(yùn)算，主要為點(diǎn)加、倍點(diǎn)和點(diǎn)積運(yùn)算；2）有限域上算術(shù)運(yùn)算，主要為模乘與模逆運(yùn)算。

為有效計算點(diǎn)加，可以利用仿射坐標(biāo)映射與射影坐標(biāo)的不同映射關(guān)系給出其改進(jìn)[6]。設(shè)xi=Ii及yi=yi=1，2），將它們代入點(diǎn)加的計算式進(jìn)行計算，則可得新的射影坐標(biāo)點(diǎn)加公式。1）當(dāng)P≠±Q時，點(diǎn)加公式為：

2）當(dāng)P=±Q時，倍點(diǎn)公式為：

計算kP的有效方法是減少k的二進(jìn)制表示中非零個數(shù)。可以將k轉(zhuǎn)換成一個帶符號、規(guī)范（NAF）的沒有任何二相鄰接數(shù)字是1的二進(jìn)制形式。然后再將其轉(zhuǎn)換成2w進(jìn)制形式，稱為窗口寬為w的NAF方法，進(jìn)一步減少整數(shù)k中非零系數(shù)數(shù)量。對于1..2w-1 之間的點(diǎn)乘運(yùn)算，可以事先計算并存貯，以提高點(diǎn)乘運(yùn)算速度。根據(jù)不同終端內(nèi)存情況，可選取適當(dāng)?shù)膚值。一個窗口寬度為w的整數(shù)k，其表示形式為

通過這種方法，k中非零系數(shù)數(shù)量可減少約n/(w+1)。

3 認(rèn)證

考慮到實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和安全問題導(dǎo)致的后果作了簡化，只針對主站發(fā)送的信息進(jìn)行身份認(rèn)證，遠(yuǎn)程監(jiān)控端可對主站發(fā)送的重要指令進(jìn)行身份認(rèn)證。在安全服務(wù)器端設(shè)置密鑰分發(fā)中心，使用Feige-Fiat-Shamir協(xié)議加速認(rèn)證過程。安全服務(wù)器擔(dān)當(dāng)兩個角色，它包含了可信授權(quán)方和將被認(rèn)證的主站信息方兩套軟件，軟件的操作由不同的權(quán)限設(shè)置限制。

令I(lǐng)為一個包含了主站信息方身份信息的數(shù)據(jù)，采用公開的散列函數(shù)SHA生成消息摘要。授權(quán)方選取兩個大素數(shù)的乘積n=pq，然后取5個小的j值附加在I后面計算SHA(I:j)。于是授權(quán)方利用它所知道的p和q可以確定SHA(I:j)中哪些數(shù)有模n的平方根，然后計算出這些數(shù)的平方根，這就得到了數(shù)v1=SHA(I:j1), …, v5=SHA(I:j5)和它們各自的平方根s1, …, s5。I, n, j1, …, j5這些數(shù)是公開的。授權(quán)方把s1, …, s5交給主站信息方，主站信息方將它們保密。授權(quán)方在計算出平方根和移交了s1, …, s5后，便可以將素數(shù)p, q和s1, …, s5廢棄。

當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控端接收到了一條重要指令，需要對發(fā)送方進(jìn)行身份認(rèn)證時，它先從授權(quán)方獲取n, j1,…, j5，然后等待主站信息方發(fā)來的身份信息I，收到后計算所有vi=SHA(I:ji), 1≤i≤5。接著主站信息方和遠(yuǎn)程監(jiān)控端按照Feige-Fiat-Shamir協(xié)議的過程迭代4次，以證實(shí)主站信息方知道s1, …, s5。當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控方證實(shí)了發(fā)送方的身份后才開始執(zhí)行之前收到的重要指令。

相對于遠(yuǎn)程監(jiān)控端安全模塊的有限計算資源，這個身份認(rèn)證過程將消耗較多的時間，因此本安全通信方案中遠(yuǎn)程監(jiān)控端只對一些重要的指令進(jìn)行身份認(rèn)證。

4 密鑰分發(fā)

本安全通信方案的保密性依賴于橢圓曲線密碼方案中的私鑰，3DES密碼算法中的私鑰經(jīng)過橢圓曲線密碼方案加密后進(jìn)行傳輸和更換。遠(yuǎn)程監(jiān)控端所需的“公鑰—私鑰”對由主站系統(tǒng)產(chǎn)生和管理。由于其更換并不頻繁，為降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，橢圓曲線密碼方案中的私鑰可以通過其它安全通信信道發(fā)送，如GSM、互聯(lián)網(wǎng)等?；蛘卟扇⌒畔㈦[藏技術(shù)利用現(xiàn)有信道進(jìn)行傳輸，如利用通信規(guī)約中的冗余信息進(jìn)行隱蔽傳輸；

如有以下三種隱藏途徑：

1）各種規(guī)約（DNP，101）都有鏈路復(fù)位命令，類似握手信號，一般無數(shù)據(jù)或命令傳輸時就定期進(jìn)行鏈路復(fù)位，周期約為10sec～5min。握手驗(yàn)證數(shù)據(jù)可以設(shè)計為一串隨機(jī)數(shù)，平時也是隨機(jī)數(shù)，密鑰傳輸時這個隨機(jī)數(shù)就是密鑰；

2）設(shè)置定值，如：電流、時間、幾種定值同時設(shè)置等，因?yàn)槊看味ㄖ翟O(shè)置的數(shù)據(jù)長度不確定，所以定值長度無規(guī)律，信息隱藏存在可能。如：設(shè)置幾個定值：電流、電壓、時間，并附加密鑰；

3）對時信息?？蓪s域作為密鑰傳輸字節(jié)，對于大多數(shù)智能設(shè)備，一般秒級時間精度可以滿足要求，而且密鑰傳輸不是經(jīng)常進(jìn)行，大部分時間的對時還是有ms的，對設(shè)備運(yùn)行的影響不大。但是ms最多只能占用16bits，可能不夠。這時可將這16bits作為密鑰修改的增量，這樣保密性有所降低，通信雙方的程序也會復(fù)雜一些。

以上三種途徑可以結(jié)合使用，這些冗余信息構(gòu)成了一個邏輯上的隱蔽信道。

關(guān)于密鑰的分發(fā)過程，遠(yuǎn)程監(jiān)控端的初始“公鑰—私鑰”密鑰對由主站通過其它安全信道發(fā)送，之后可以利用信息隱藏方式傳輸新的密鑰對。主站先向隱蔽信道發(fā)送同步序列，接著發(fā)送遠(yuǎn)程監(jiān)控端所需的新的密鑰對，該密鑰對信息使用遠(yuǎn)程監(jiān)控端最近一次所使用的公鑰加密。然后等待遠(yuǎn)程監(jiān)控端的響應(yīng)，若主站未收到遠(yuǎn)程監(jiān)控端的響應(yīng)，則再重復(fù)一次以上過程，若仍不成功則不更改遠(yuǎn)程監(jiān)控端當(dāng)前使用的密鑰對，等待下次密鑰對更新周期的到來，同時主站端記錄此次密鑰對更新失敗事件。

另一方面，遠(yuǎn)程監(jiān)控端則持續(xù)檢測同步序列，檢測到同步序列后，利用最近一次所使用的私鑰進(jìn)行解密獲得新的“公鑰—私鑰” 密鑰對。接著向主站發(fā)送兩次響應(yīng)信息，該響應(yīng)信息使用當(dāng)前主站端公鑰加密，并且在其之前先發(fā)送同步序列。

5 實(shí)現(xiàn)

本方案將涉及復(fù)雜計算和管理的功能分配到主站端的安全服務(wù)器集中完成，安全服務(wù)器的資源容易根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模得到擴(kuò)充。鑒于成本和復(fù)雜性上的考慮，遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備只涉及相對較少的處理。整個安全通信系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)和安裝調(diào)試。

遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的安全模塊的硬件設(shè)計基于8位高性能低成本的XC886微控制器，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051處理器，開發(fā)成本低，器件可工作于工業(yè)級和汽車級溫度范圍。其計算能力可達(dá)到12MIPS，可以滿足本方案的需求。對XC886經(jīng)過一般優(yōu)化的3DES算法處理速度可適應(yīng)超過20kbps的數(shù)據(jù)速率，滿足實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。在?shí)現(xiàn)中為獲得較好的性能，對關(guān)鍵步驟采用了匯編語言編程。在對算法進(jìn)行高級優(yōu)化后，XC886尚有足夠的余量用來處理遙控監(jiān)測幀的分析和格式轉(zhuǎn)換。

由于XC886性能上的限制，身份認(rèn)證、橢圓曲線的加密、解密等過程耗時較長，隨不同的工作條件在約2s～10s的范圍內(nèi)變動。實(shí)際應(yīng)用中可以利用遙控監(jiān)測間隙來降低這些方面的影響。在對響應(yīng)時間要求較高的場合，可在安全模塊中采用性能更好的16位微控制器。

另外，此安全模塊可附加在已有的智能設(shè)備上實(shí)現(xiàn)透明的數(shù)據(jù)傳輸，最大節(jié)省了現(xiàn)有設(shè)備的投資。

6 結(jié)束語

針對電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控通信中常見的安全問題，本文在現(xiàn)有系統(tǒng)的主站端附加了安全服務(wù)器，在遠(yuǎn)程監(jiān)控端附加了安全模塊。采用非對稱和對稱式加密相結(jié)合的安全通信方案，并結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行了簡化，能夠?qū)崿F(xiàn)安全通信的透明化。本方案可適用于8～16位微控制器，成本較低，易于升級。

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