基于USB Key的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)身份認(rèn)證機(jī)制研究與設(shè)計(jì)

周振華，呂繼偉，徐若然，冒蕾蕾

（1.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，北京 102200；2.北京電研華源電力技術(shù)有限公司，北京 102200）

1 配電網(wǎng)自動(dòng)化二次系統(tǒng)安全防護(hù)概述

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)信息安全已成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。智能配電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中實(shí)施的配電自動(dòng)化系統(tǒng)，主要包括配電終端、配電網(wǎng)通信設(shè)備、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)控主站系統(tǒng)設(shè)備等，是電力系統(tǒng)面向最終用戶供電的重要基礎(chǔ)設(shè)施。配電環(huán)節(jié)作為用戶供電的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，在保證供電可靠性和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善信息安全和防止惡意破壞是系統(tǒng)需要考慮的另一重要問(wèn)題。作為電力系統(tǒng)二次設(shè)備，其安全防護(hù)的目標(biāo)是抵御病毒、黑客等通過(guò)各種形式發(fā)起的惡意破壞和攻擊，尤其是集團(tuán)式攻擊，重點(diǎn)保護(hù)電力實(shí)時(shí)閉環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的安全，防止由此引發(fā)的電力系統(tǒng)事故。隨著配電網(wǎng)快速發(fā)展，配電二次系統(tǒng)的安全問(wèn)題已經(jīng)非常突出。2006年電監(jiān)會(huì)發(fā)布了《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案》及配套的《配電二次系統(tǒng)安全防護(hù)方案》，對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)、電力負(fù)荷管理系統(tǒng)等二次系統(tǒng)的安全防護(hù)措施做出了原則性規(guī)定。2011年國(guó)家電網(wǎng)公司制定了《中低壓配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)安全防護(hù)補(bǔ)充規(guī)定（試行）》，對(duì)配電網(wǎng)二次系統(tǒng)安全防護(hù)方案中的相關(guān)措施做進(jìn)一步細(xì)化與補(bǔ)充。

電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)的總體原則是“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”。配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)主站與子站及終端的通信方式原則上以電力光纖通信為主，對(duì)于不具備電力光纖通信條件的末梢配電終端，采用無(wú)線通信方式，這樣就容易使配電二次系統(tǒng)面臨來(lái)自公共網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)引起惡意攻擊設(shè)備事故。因此，配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的安全防護(hù)，除了遵循電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)總體原則，還應(yīng)防止通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)對(duì)子站終端進(jìn)行攻擊，造成用戶供電中斷，同時(shí)防止通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)和用戶終端入侵主站，造成更大范圍的安全風(fēng)險(xiǎn)。目前的解決方案是在終端設(shè)備上配置安全加密模塊，安全加密模塊對(duì)來(lái)源于主站系統(tǒng)的控制命令和參數(shù)設(shè)置指令采取安全鑒別和數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證措施，以防范冒充主站對(duì)子站終端進(jìn)行攻擊，惡意操作電氣設(shè)備，影響供電安全。

但對(duì)于終端以及子站設(shè)備的就地操作，目前還缺乏有效的信息安全防護(hù)機(jī)制，盡管目前終端設(shè)備具備基本的防竊、防火、防破壞等物理安全防護(hù)措施，以及控制遠(yuǎn)程操作的軟硬壓板，然而設(shè)備一旦通過(guò)外部暴力開(kāi)啟物理防護(hù)措施后，即可通過(guò)操作面板的控制按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，或者直接繞開(kāi)安全加密設(shè)備連接子站及終端設(shè)備，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約查看終端的相關(guān)數(shù)據(jù)以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行遙控操作等，從而進(jìn)一步侵入配電自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

如何有效防護(hù)終端設(shè)備的就地安全操作是一個(gè)值得思考的問(wèn)題，借鑒目前互聯(lián)網(wǎng)的安全防護(hù)以及身份識(shí)別技術(shù)，對(duì)配電主站系統(tǒng)以及子站終端采用身份識(shí)別技術(shù)，增加身份識(shí)別機(jī)制，從源頭確保設(shè)備操作的安全和穩(wěn)定。不論從主站對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作、對(duì)終端設(shè)備就地進(jìn)行操作以及數(shù)據(jù)查看等都需要先進(jìn)行身份驗(yàn)證，具有不同權(quán)限的身份經(jīng)鑒別后才允許對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，同時(shí)設(shè)備的控制閉鎖環(huán)節(jié)才會(huì)打開(kāi)，允許運(yùn)維人員的進(jìn)一步操作。未經(jīng)身份驗(yàn)證的物理連接和操作控制都被視為非法操作，一旦發(fā)生，將會(huì)自動(dòng)提升設(shè)備安全防護(hù)級(jí)別，閉鎖全部相關(guān)設(shè)備的操作控制，并及時(shí)向主站上傳報(bào)警信息并定位，提示系統(tǒng)的異常侵入。

身份認(rèn)證服務(wù)是提供網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全中其他安全服務(wù)的前提和基礎(chǔ)。如果不能準(zhǔn)確識(shí)別網(wǎng)絡(luò)通信端對(duì)端實(shí)體的真實(shí)身份，就不可能建設(shè)一個(gè)穩(wěn)定、有序、安全可靠的自動(dòng)化系統(tǒng)。因此，研制和開(kāi)發(fā)適合配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的身份認(rèn)證安全機(jī)制及技術(shù)具有重要意義，能夠極大地提升社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)配電網(wǎng)建設(shè)的信息化、智能化發(fā)展。

2 基于USB Key的身份認(rèn)證技術(shù)

USB Key是一種便攜式的硬件載體，具備通用的USB接口，內(nèi)置控制核心或智能芯片，并且可以存儲(chǔ)持有人的私有密鑰和數(shù)字簽名證書(shū)，利用USB Key進(jìn)行身份驗(yàn)證可以通過(guò)內(nèi)置公鑰算法進(jìn)行，而身份認(rèn)證的安全性在于私鑰保存在USB Key中，常規(guī)方法難以獲得。

USB Key的優(yōu)點(diǎn)包括：體積小巧，攜帶方便，個(gè)人PIN碼保護(hù)，安全存儲(chǔ)，內(nèi)置硬件算法。一般地，用戶可以通過(guò)USB Key內(nèi)部的加密算法生成密鑰或者設(shè)置個(gè)人PIN碼，來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部文件的操作權(quán)限。USB Key的安全性保障從原理上講，一是提供雙因子認(rèn)證，即USB Key硬件介質(zhì)和個(gè)人PIN碼（密鑰），獲得USB Key的操作權(quán)限需要同時(shí)獲取內(nèi)外部驗(yàn)證，操作權(quán)限獲得后要想對(duì)其內(nèi)部文件進(jìn)行操作還需要持有人提供個(gè)人PIN碼或由USB Key內(nèi)部生成的私鑰來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是私鑰只從USB Key內(nèi)產(chǎn)生，不會(huì)出現(xiàn)在注冊(cè)計(jì)算機(jī)中，外部不可見(jiàn)；三是USB Key只進(jìn)行加解密和證書(shū)驗(yàn)證操作，不會(huì)泄露密鑰實(shí)現(xiàn)算法，可以確保數(shù)據(jù)的安全?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，USB Key被廣泛應(yīng)用于電子商務(wù)、金融等信息安全要求極高的場(chǎng)合來(lái)進(jìn)行身份驗(yàn)證識(shí)別，因此考慮配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)采用USB Key進(jìn)行安全身份驗(yàn)證［1］。

針對(duì)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)，USB Key作為其安全身份驗(yàn)證要著重考慮以下幾個(gè)問(wèn)題［2-5］：

（1）抵抗重放攻擊 利用二維認(rèn)證消息加時(shí)間戳、為認(rèn)證消息添加當(dāng)前時(shí)標(biāo)以及動(dòng)態(tài)推進(jìn)認(rèn)證消息等方法確保認(rèn)證信息的及時(shí)有效，抵抗重放攻擊。

（2）抵抗密碼分析攻擊 通過(guò)對(duì)稱、非對(duì)稱加密算法保護(hù)以及散列函數(shù) （HASH）的單向性來(lái)實(shí)現(xiàn)認(rèn)證過(guò)程抵抗密碼分析攻擊，確保加密的安全性。

（3）雙向身份認(rèn)證功能 主站和終端應(yīng)均能對(duì)對(duì)方的身份進(jìn)行驗(yàn)證，防止信息單向傳遞過(guò)程中泄露。

（4）多因子身份認(rèn)證 高安全強(qiáng)度的身份認(rèn)證服務(wù)往往需要多重因子，即使單一因子的丟失或者泄露也不會(huì)引起認(rèn)證系統(tǒng)的危機(jī)或被冒充的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）提高身份認(rèn)證協(xié)議的效率 簡(jiǎn)練并且安全的認(rèn)證協(xié)議可以減少認(rèn)證通信的次數(shù)，提供可靠性，減弱被攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。

3 基于USB Key的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)安全性身份認(rèn)證機(jī)制流程

配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的安全身份認(rèn)證機(jī)制采用動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證機(jī)制中的請(qǐng)求—響應(yīng)方式，可實(shí)現(xiàn)客戶端和認(rèn)證服務(wù)器的雙向認(rèn)證，同時(shí)保證了客戶端和服務(wù)器認(rèn)證信息的同步。基于USB Key的配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)安全性身份認(rèn)證也需要配電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)于該接口設(shè)備的支持，系統(tǒng)主站側(cè)和終端側(cè)需要有支持USB Key對(duì)應(yīng)的接口，而且還需要支持客戶端代理程序的運(yùn)行。一般地，終端應(yīng)具備人機(jī)交互的顯示界面和鍵盤(pán)輸入設(shè)備，能夠輸入身份認(rèn)證的相關(guān)信息提供給USB Key進(jìn)行驗(yàn)證。

配電網(wǎng)自動(dòng)化安全驗(yàn)證系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示，架構(gòu)共分為3層：第一層主站安全認(rèn)證系統(tǒng)層，包括配電自動(dòng)化系統(tǒng)主站服務(wù)器、安全認(rèn)證服務(wù)器、Key注冊(cè)服務(wù)器；第二層為網(wǎng)絡(luò)層，主要包括系統(tǒng)通信光纖網(wǎng)及通信設(shè)備；第三層是設(shè)備層，主要包括用戶數(shù)據(jù)、運(yùn)維操作人員、USB Key接入設(shè)備、終端以及安全加密設(shè)備等部分。

身份驗(yàn)證機(jī)制的流程要依賴于3層系統(tǒng)架構(gòu)，具體實(shí)現(xiàn)分為3個(gè)階段：第一階段為設(shè)備注冊(cè)階段，主要在主站系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)；第二階段為雙向認(rèn)證及ID識(shí)別階段，需要3層架構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)；第三個(gè)階段為用戶注銷階段，由主站系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)。

在認(rèn)證流程執(zhí)行中，主要用到的加密算法包括：SHA-1，3DES，ECC等。用戶PIN為身份識(shí)別碼，ID為USB Key的ID號(hào)，此號(hào)唯一；R為隨機(jī)數(shù)；hc（）為認(rèn)證服務(wù)器SHA-1加密算法的消息函數(shù)；hu（）為 USB Key中SHA-1加密算法的消息函數(shù)；K，KR，KL為3DES的算法密鑰；h（）為單項(xiàng)散列函數(shù)。

3.1 設(shè)備注冊(cè)階段［2］

設(shè)備注冊(cè)階段首先需要在身份認(rèn)證服務(wù)器端完成注冊(cè)用戶接入設(shè)備的認(rèn)證，注冊(cè)通過(guò)后才可以參與設(shè)備接入的身份認(rèn)證。對(duì)于用戶接入的認(rèn)證信息，首先由注冊(cè)服務(wù)器為申請(qǐng)用戶分配一個(gè)USB Key，并記錄該Key唯一的ID序列號(hào)。服務(wù)器在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中為該用戶創(chuàng)建一條包含ID號(hào)、服務(wù)器端上次認(rèn)證信息、服務(wù)器端本次認(rèn)證信息的消息記錄。

圖1 配電網(wǎng)自動(dòng)化安全驗(yàn)證系統(tǒng)總體構(gòu)架

隨后，USB Key還需要進(jìn)行PIN碼和ID的注冊(cè)寫(xiě)入，將兩者信息寫(xiě)到USB Key硬件存儲(chǔ)區(qū)域，并且USB Key存儲(chǔ)該用戶ID認(rèn)證過(guò)程中所需要的加解密算法。

3.2 認(rèn)證階段［2］

3.2.1 用戶PIN碼驗(yàn)證

用戶插入U(xiǎn)SB Key至終端設(shè)備的USB接口，終端液晶界面顯示客戶端代理程序窗口，用戶通過(guò)鍵盤(pán)輸入PIN碼，客戶端代理程序向USB Key端申請(qǐng)發(fā)送隨機(jī)數(shù)。

USB Key收到請(qǐng)求向客戶端程序發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)R，并標(biāo)記一次認(rèn)證。

客戶端程序?qū)⒌玫降腞和PIN碼進(jìn)行3DES加密得到E，加密過(guò)程算法對(duì)應(yīng)于E=DES（KL）［DES-1（KR）］［DES（KL［R+PIN］）］］，加密后的密文傳輸給USB Key。

USB Key通過(guò)3DES算法解密E得到R和PIN碼，分別與內(nèi)部存儲(chǔ)的R和PIN碼做比對(duì)，如果對(duì)比一致說(shuō)明用戶為合法用戶，然后開(kāi)啟USB Key-ID驗(yàn)證程序，同時(shí)向終端發(fā)送合法用戶驗(yàn)證信息，授權(quán)用戶使用通信信道進(jìn)行ID驗(yàn)證；否則說(shuō)明用戶為非法，將結(jié)果返回給客戶端的認(rèn)證程序，顯示非法用戶信息，并通過(guò)終端的通信通道向主站服務(wù)器發(fā)送報(bào)警信息，提示異常非認(rèn)證接入終端節(jié)點(diǎn)。USB Key用戶PIN碼驗(yàn)證流程圖如圖2所示。

圖2 USB Key用戶PIN碼驗(yàn)證流程圖

3.2.2 USB Key-ID驗(yàn)證

USB Key-ID驗(yàn)證過(guò)程實(shí)際為雙向驗(yàn)證，即分別對(duì)接入的USB Key和認(rèn)證服務(wù)器系統(tǒng)分別進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證過(guò)程如下。

認(rèn)證服務(wù)器接到USB Key，通過(guò)終端發(fā)送的請(qǐng)求身份驗(yàn)證信號(hào)后，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)C傳給USB Key，并用SHA-1算法加密C得到hc（C）。

USB Key接收C后，根據(jù) ECC（Elliptic Curve Crypto）算法產(chǎn)生一對(duì)密鑰（公鑰K1和私鑰K2），并通過(guò)同樣的SHA-1算法加密C得到hu（C），同時(shí)生成一個(gè)時(shí)間戳t，發(fā)送密文m=｛hu（C），K1，t｝到認(rèn)證服務(wù)器，請(qǐng)求服務(wù)器驗(yàn)證 USB Key身份，最后再利用SHA-1算法加密K1，得到hu（K1）。認(rèn)證服務(wù)器接收密文m，解密m并提取hu（C），與hc（C）對(duì)比，如果不相等拒絕對(duì)方的鏈接。

除了驗(yàn)證隨機(jī)數(shù)還需要驗(yàn)證t′與t之間的有效性。如果（t′-t））≥Δt，認(rèn)證服務(wù)器將斷開(kāi)連接，小于間隔時(shí)間則接受。其中，t′是認(rèn)證服務(wù)器的當(dāng)前時(shí)間戳，Δt是期望的有效時(shí)間間隔，此時(shí)，USB Key身份驗(yàn)證完畢。同時(shí)，認(rèn)證服務(wù)器將K1用內(nèi)部存儲(chǔ)的SHA-1算法加密得到hc（K1），同時(shí)生成一個(gè)時(shí)間戳T，根據(jù)ECC算法生成一對(duì)密鑰（公鑰P1和私鑰P2），發(fā)送密文M=｛P1，hc（K1），T｝給 USB Key，使 USB Key驗(yàn)證認(rèn)證服務(wù)器的身份，USB Key端接收到密文M后，通過(guò)解密算法提取hc（K1）并比較hu（K1）與hc（K1）是否相等，如果不相等斷開(kāi)鏈接。

同樣地，還需要驗(yàn)證T′與T之間的有效性。如果T′-T≥ΔT，USB Key將斷開(kāi)與服務(wù)器連接，否則接受。當(dāng)USB Key確認(rèn)對(duì)方為合法認(rèn)證服務(wù)器身份后，即雙向認(rèn)證過(guò)程通過(guò)，認(rèn)證服務(wù)器還要驗(yàn)證USB Key的ID信息，通過(guò)ID信息可以識(shí)別出連接發(fā)起人的權(quán)限和身份等相關(guān)信息，便于開(kāi)放相應(yīng)的操作權(quán)限，具體過(guò)程：USB Key將P1和K2利用ECC加密h（ID）和T，發(fā)送Z=Ep1（EK2（h（ID）+T））給認(rèn)證服務(wù)器。

認(rèn)證服務(wù)器得到Z后利用P2和K1進(jìn)行解密，得到明文Z′=DP2（DK1（Z））=h（ID）+T，比對(duì)T是否一致，如果一致就將h（ID）與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的字段進(jìn)行匹配以確認(rèn)身份，以便賦予其相關(guān)權(quán)限；否則斷開(kāi)鏈接。接入Key和認(rèn)證服務(wù)器的雙向驗(yàn)證以及ID驗(yàn)證流程如圖3所示。

整個(gè)身份安全驗(yàn)證算法過(guò)程如圖4所示。

3.3 注銷階段

用戶忘記PIN碼或丟失USB Key硬件設(shè)備，需立即聯(lián)系生產(chǎn)廠商進(jìn)行索取PIN碼或者注銷。

圖3 雙向驗(yàn)證以及ID識(shí)別流程

圖4 認(rèn)證服務(wù)器算法過(guò)程

4 結(jié)論

本文研究了基于USB Key技術(shù)的配電網(wǎng)自動(dòng)化安全身份認(rèn)證機(jī)制，設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)自動(dòng)化安全驗(yàn)證系統(tǒng)總體架構(gòu)，采用的USB Key通過(guò)軟硬件相結(jié)合雙向雙因子認(rèn)證模式并基于動(dòng)態(tài)口令認(rèn)證的請(qǐng)求—響應(yīng)方式認(rèn)證協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)末端安全風(fēng)險(xiǎn)的有效防控，并具備了如下功能：

（1）能夠抵抗重放攻擊；

（2）能夠抵抗密碼分析攻擊；

（3）可實(shí)現(xiàn)雙向身份認(rèn)證和多因子身份認(rèn)證；

（4）提高了身份認(rèn)證協(xié)議的效率。

未來(lái)隨著保密需求的不斷加強(qiáng)，將生物特征識(shí)別引入U(xiǎn)SB Key，利用生物特征作為PIN碼，從而確定使用者的確是被授權(quán)者，這將在今后USB Key發(fā)展中成為主要的發(fā)展方向。

［1］ 宮立圓.公鑰密碼算法在USB Key中關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

［2］ 曹喆.基于USB Key的身份認(rèn)證機(jī)制的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：東華大學(xué)，2010.

［3］ 候孟波.基于身份和無(wú)證書(shū)的兩方認(rèn)證密鑰協(xié)商協(xié)議研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

［4］ ZHANG Ping，PEI Ya-nan.A Technology of User Access-Control Table and Identity Authentication Based on USB in LAN［C］.Biomedical Engineering and Computer Science（ICBECS），Wuhan，2010.

［5］ YU Jiang，ZHANG Chuan-fu.Design and Analyis of a USB-Key Based Strong Password Authentication Scheme［C］.Computational Intelligence and Software Engineering（CISE），Wuhan，2010.