◆向新宇 姚海燕 於志淵通訊作者,3 惠以軒 王德君
(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司 浙江 310000;2.杭州市電力設(shè)計(jì)院有限公司余杭分公司 浙江 310000;3.北京博思匯眾科技有限公司 北京 10000)
電力能源是社會(huì)生活生產(chǎn)的重要支撐,電力系統(tǒng)是保障民生和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。從設(shè)備組成來看,電力系統(tǒng)主要包括電力產(chǎn)生設(shè)備、電力變換設(shè)備、電力傳送設(shè)備和分配消費(fèi)設(shè)備等;從網(wǎng)絡(luò)組成來看,電力網(wǎng)主要分為電力輸電網(wǎng)和電力配電網(wǎng)[1-2]。鑒于電力行業(yè)的特殊性,需要建立完備的安全監(jiān)控體系,需要依托5G 工業(yè)網(wǎng)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)、低功率廣域網(wǎng)絡(luò)LPWAN[3]等新技術(shù)構(gòu)建海量連接,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制系統(tǒng)的部署與通信,同時(shí)也為智能化用電服務(wù)提供支撐。電力物聯(lián)網(wǎng)將原本孤立的電力設(shè)備進(jìn)行通信串聯(lián),打通了封閉網(wǎng)絡(luò)的信息通路,在提升電力系統(tǒng)運(yùn)營便捷的同時(shí),也給電力這一傳統(tǒng)行業(yè)帶來了新興的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。國密算法作為我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)加密算法,可以融合電力物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)進(jìn)行部署應(yīng)用,提高電力物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)安全性。
本文結(jié)合電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展特點(diǎn),開展電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全分析,結(jié)合國密算法算點(diǎn),探討其在電力物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的應(yīng)用,設(shè)計(jì)了典型的應(yīng)用場景,提出了一種基于SM3 和SM9 的電量信息采集傳輸方案,能夠有效支撐電力信息傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)安全開展,為行業(yè)研究和工業(yè)生產(chǎn)提供借鑒思路。
按照電網(wǎng)輸電、變電、配電和用電業(yè)務(wù)的經(jīng)營現(xiàn)狀,電力物聯(lián)網(wǎng)的整體框架設(shè)計(jì)如圖1所示[4],共包括4 層,其中感知層實(shí)現(xiàn)電力終端設(shè)備信息的感知,依托射頻識(shí)別RFID 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端狀態(tài)信息的匯聚,實(shí)現(xiàn)輸電環(huán)節(jié)的線路監(jiān)控、視頻監(jiān)控,變電環(huán)節(jié)的設(shè)備巡檢、視頻監(jiān)控,配電環(huán)節(jié)的配電自動(dòng)化、設(shè)備監(jiān)控和用電環(huán)節(jié)的遠(yuǎn)程抄表、客戶關(guān)系等各個(gè)環(huán)節(jié)的信息采集;在網(wǎng)絡(luò)層,綜合運(yùn)用有線通信、無線通信、衛(wèi)星通信、運(yùn)營商專線、5G 等技術(shù)構(gòu)建電力專用通信系統(tǒng),形成了電力物聯(lián)網(wǎng)的廣域連接;在平臺(tái)層,通過電力通信系統(tǒng)將各個(gè)環(huán)節(jié)的信息數(shù)據(jù)傳送給管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)信息的整合、分析、處理;在應(yīng)用層,通過對(duì)不同行業(yè)電力服務(wù)的差異化決策,面向不同行業(yè)提供智能化專業(yè)用電服務(wù),實(shí)現(xiàn)電力配電、電力調(diào)度的高效化和智能化。通過電力物聯(lián)網(wǎng),能夠?qū)ΜF(xiàn)有的電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施資源進(jìn)行合理有效的整合,提高電能利用效率,同時(shí),能夠推動(dòng)綠色電力等新能源產(chǎn)業(yè)的電網(wǎng)迅速接入,提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化與智能化的水平。
圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)
電力物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要特征是電力通信網(wǎng)的泛在化,大量的公共網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在電力通信網(wǎng)中進(jìn)行部署,提高電網(wǎng)監(jiān)管水平的同時(shí),也為大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)攻擊手段提供了適用平臺(tái)。結(jié)合電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),本文認(rèn)為其安全上的風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
一是身份認(rèn)證方面。伴隨電力物聯(lián)網(wǎng)開放互聯(lián)的演進(jìn),電力物聯(lián)網(wǎng)存在海量的網(wǎng)絡(luò)連接[5],尤其是在移動(dòng)、泛在、混合、廣域互聯(lián)環(huán)境下,電力物聯(lián)網(wǎng)中部署了傳感裝置、移動(dòng)終端、視頻監(jiān)控、智能電表、充電樁、辦公計(jì)算機(jī)等大量的內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、控制及管理設(shè)備,如何進(jìn)行身份識(shí)別,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)海量電力設(shè)備的精準(zhǔn)定位,是防止身份識(shí)別錯(cuò)識(shí)破以及惡意仿冒接入必須要面對(duì)的一個(gè)問題。
二是網(wǎng)絡(luò)邊界方面。以往電力網(wǎng)是一張隔離網(wǎng)絡(luò),利用專有協(xié)議實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制,與其他網(wǎng)絡(luò)邊界比較清晰。電力物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要內(nèi)容,尤其是云平臺(tái)的使用,更加淡化了電力網(wǎng)與公共網(wǎng)的邊界,同時(shí),隨著電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,勢必需要借助公網(wǎng)資源例如電信運(yùn)營商5G 切片或者M(jìn)PLS VPN 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信組網(wǎng),從而導(dǎo)致增加了電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的接口規(guī)模,淡化了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)邊界,增加了風(fēng)險(xiǎn)來源。
三是加密傳輸方面。電力物聯(lián)網(wǎng)存在著大量的通信數(shù)據(jù),無論是感知層RFID 終端感知網(wǎng)絡(luò)間的通信,還是網(wǎng)絡(luò)層電力終端與平臺(tái)層系統(tǒng)之間通信,都必須要面對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的加密問題,防止中間人劫持攻擊實(shí)現(xiàn)電量數(shù)據(jù)等信息的篡改,因此數(shù)據(jù)傳輸加密的需求十分巨大。
密碼算法具有數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證的作用,而且在網(wǎng)絡(luò)邊界部署密碼設(shè)備還能起到網(wǎng)絡(luò)隔離的作用。在電力物聯(lián)網(wǎng)中部署密碼算法能夠做到網(wǎng)絡(luò)與信息的安全防護(hù)。
表1 所示為國密算法與國際商用密碼的對(duì)比。國密算法是由國家密碼局制訂標(biāo)準(zhǔn)的一系列算法,國密算法包括密碼算法編程、算法芯片、加密卡實(shí)現(xiàn)等一系列技術(shù)。具體分類方面,包括SM1 對(duì)稱加密、SM2 密碼雜湊算法[6]、SM3 對(duì)稱加密算法[7]、SM4 對(duì)稱加密算法、SM7 分組密碼算法、SM9 標(biāo)識(shí)密碼算法以及ZUC 祖沖之算法等。國密算法應(yīng)用范圍廣泛,用于對(duì)具有敏感性的內(nèi)部信息、行政事務(wù)信息、經(jīng)濟(jì)信息等進(jìn)行加密保護(hù):SM1 可用于企業(yè)門禁管理、企業(yè)內(nèi)部的各類敏感信息的傳輸加密、存儲(chǔ)加密,防止非法第三方獲取信息內(nèi)容;也可用于各種安全認(rèn)證、網(wǎng)上銀行、數(shù)字簽名等。
表1 國密算法列表
目前電力部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的通信協(xié)議采用了一定的安全認(rèn)證加密手段,但應(yīng)用場景并不普遍,多數(shù)業(yè)務(wù)場景中仍然存在被第三方竊取或偽造協(xié)議數(shù)據(jù)包、篡改數(shù)據(jù)、仿冒身份等安全風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用國產(chǎn)密碼算法有利于提高安全強(qiáng)度,保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。這其中,SM1和SM7 算法在智能電表卡通信中進(jìn)行廣泛應(yīng)用;SM3 可用在敏感數(shù)據(jù)的完整性驗(yàn)證,例如在電表數(shù)據(jù)的傳輸過程中采用SM3 進(jìn)行簽名,從而驗(yàn)證電力數(shù)據(jù)沒有被修改;SM2、SM4、SM9、ZUC 算法在電力報(bào)文的安全傳輸中具有較好的應(yīng)用前景。其中,SM9 提供加解密、數(shù)字簽名和密鑰交換等功能[8],算法描述如下:
(1)密鑰生成中心(Key Generation Center,KGC)公布系統(tǒng)參數(shù),<k,G1,G2,e,Ppub,H1,H2>,其中,G1,G2是N階循環(huán)子群,H1,H2為Hash 函數(shù),Ppub是主公鑰,e是KGC 選取的G1,G2的雙線性映射,KGC 秘密保留主密鑰s。
(2)密鑰生成算法:對(duì)于用戶身份IDA,密鑰生成中心(KGC)選擇公開用一個(gè)字節(jié)表示的私鑰生成函數(shù)識(shí)別符hid,在橢圓曲線有限域FN上計(jì)算t1=H1(IDA||hid,N)+s,如果t1=0,則重新生主私鑰,否則計(jì)算t2=,再計(jì)算私鑰d=P1t1以及公鑰Q=H1(IDA||hid)P1+Ppub,其中P1是G1的生成元。
(3)簽名生成算法:待簽名消息是M,簽名主公鑰Ppub,簽名密鑰dsA,對(duì)M簽名如下:
A1.計(jì)算g=e(P1,Ppub);
A2.生成隨機(jī)數(shù)r∈[1,N-1],計(jì)算w=gr,并將w轉(zhuǎn)成比特串;
A3.計(jì)算h=H2(M||w,N);
A4.計(jì)算L=(r-h)mod(N),如果值為0,則返回2)
A5.計(jì)算S=[L]dsA,輸出消息M的數(shù)字簽名 (h,S)。
結(jié)合中國電信、華為和國家電網(wǎng)發(fā)布的《5G 網(wǎng)絡(luò)切片使能智能電網(wǎng)》[9]中所描述的主要場景,本文探討低壓用電信息采集場景下電力物聯(lián)網(wǎng)加密問題,給出基于SM9 的解決方案,并分析其效益。
圖2 為電量采集系統(tǒng)架構(gòu)示意圖接入架構(gòu)。電量采集系統(tǒng)由電網(wǎng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)通道、電力終端三部分組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)和電表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,完成分時(shí)電量計(jì)費(fèi)統(tǒng)計(jì)和能量平衡。實(shí)現(xiàn)電量信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞接卸喾N,窄帶通信技術(shù)較為常用。通過周期性的采集,實(shí)現(xiàn)對(duì)重要用戶電量的持續(xù)性跟蹤,提升電力服務(wù)能力。
圖2 電量采集傳輸系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
如圖2 所示的系統(tǒng)架構(gòu)中,安全方面有兩個(gè)現(xiàn)實(shí)需求:
一是加密傳輸問題,需要對(duì)電網(wǎng)平臺(tái)與電力終端之間的通信進(jìn)行加密傳輸保護(hù),防止信息在傳輸過中可能遭受到的劫持和惡意修改。
二是海量終端的身份認(rèn)證問題,每個(gè)終端具有唯一的編碼可以實(shí)現(xiàn)身份標(biāo)識(shí),但電力終端涉及千家萬戶數(shù)目龐大,電網(wǎng)平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)電力終端的身份認(rèn)證。
針對(duì)上節(jié)提出的身份認(rèn)證問題和加密傳輸問題,提出一種基于SM9 的加密傳輸方案,SM9 本身是一種IBC(基于標(biāo)識(shí)的密碼系統(tǒng),Identity-Based Cryptograph),能夠簡化在加密過程中數(shù)字證書的交換問題,使加密算法更加易于部署和應(yīng)用。
電量數(shù)據(jù)采集主要是電表終端與電網(wǎng)平臺(tái)之間的通信,具有多對(duì)一即大量電表終端對(duì)電網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器通信的特點(diǎn)。其分為兩種業(yè)務(wù)模式,第一種是由電表終端發(fā)起,向電網(wǎng)平臺(tái)上報(bào)電量數(shù)據(jù),主要用于周期性的電量數(shù)據(jù)上報(bào);第二種是由電網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器發(fā)起,主要基于用電數(shù)據(jù)查詢的需求。電量信息采集與傳輸是一種雙向業(yè)務(wù),可以采用對(duì)稱或者非對(duì)稱密碼算法方法進(jìn)行加密,無論采用哪種方式,密鑰管理都是相當(dāng)大的問題。分別對(duì)這兩種方式進(jìn)行分析如下。
● 如果對(duì)稱密碼算法采用預(yù)置密鑰(Pre-shared key),那么由于通信雙方密鑰存儲(chǔ)在電表一側(cè),則會(huì)導(dǎo)致電表終端的安全對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響過大,同時(shí),電網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器每次需要根據(jù)用戶身份查詢對(duì)應(yīng)的密鑰,則會(huì)帶來身份認(rèn)證的額外負(fù)擔(dān),在大量電力終端同時(shí)通信時(shí)易形成電網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器的拒絕服務(wù)攻擊。
● 如果采用非對(duì)稱密碼算法,那么電表端需要存儲(chǔ)供電站的公鑰以及自己的私鑰,電網(wǎng)平臺(tái)存儲(chǔ)自己私鑰以及用戶電表的公鑰,電表終端在進(jìn)行電力數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí),采用電網(wǎng)平臺(tái)的公鑰加密,電網(wǎng)平臺(tái)采用自己私鑰解密數(shù)據(jù);電網(wǎng)平臺(tái)向電表終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),利用不同電表終端的公鑰進(jìn)行加密,然后電表終端利用自己私鑰進(jìn)行解密。
由于在電力通信中,電表終端與電網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器之間的雙向信道存在非對(duì)稱性,電表終端向服務(wù)器傳輸?shù)男畔⒘棵黠@高于服務(wù)器傳向電力終端發(fā)送的數(shù)據(jù)量,因此,服務(wù)器解密數(shù)據(jù)時(shí)不需要進(jìn)行密鑰查詢,就能夠降低服務(wù)受到拒絕服務(wù)攻擊的可能。
上述方法解決了信息加密傳輸?shù)膯栴},但是仍然存在身份認(rèn)證的難題,大量的電表終端表采用電網(wǎng)平臺(tái)的公鑰進(jìn)行傳輸,如何進(jìn)行信息標(biāo)識(shí)是必須要考慮的問題。為此,進(jìn)一步提出基于SM9 的數(shù)字簽名機(jī)制,主要思想是,電表終端在進(jìn)行報(bào)文發(fā)送之間,利用雜湊算法從報(bào)文中生成報(bào)文摘要,然后利用自己私鑰進(jìn)行摘要加密,加密后的摘要將作為報(bào)文的數(shù)字簽名和報(bào)文一起發(fā)送給電網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器,服務(wù)器用同樣的雜湊算法從接收到的原始報(bào)文中計(jì)算出報(bào)文摘要,接著再利用電力終端的公鑰來對(duì)報(bào)文附加的數(shù)字簽名進(jìn)行解密,如果這兩個(gè)摘要相同,那么接收方就能確認(rèn)該報(bào)文是發(fā)送方的。
基于SM9 的信息傳輸機(jī)制具體如下,以電力信息上報(bào)為例,其中電表終端簡稱ET,電網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器簡稱ES:
● A1.KGC 發(fā)布系統(tǒng)參數(shù),根據(jù)用戶電力編碼生ET 的公鑰私鑰,ES 的公鑰私鑰;
● A2.ET 存儲(chǔ)個(gè)人私鑰以及電力平臺(tái)的公鑰;ES 存儲(chǔ)電表終端的公鑰和自身私鑰
● A3.ET 與ES 建立通信,如果是初始化的第1 個(gè)數(shù)據(jù)包,則進(jìn)行簽名,具體見下一步;否則,則利用ES 公鑰加密得到加密數(shù)據(jù)包EP,發(fā)送EP。
● A4.ET 利用SM3 對(duì)報(bào)文date 進(jìn)行壓縮,報(bào)文data 只取用戶信息編碼,壓縮后得到信息摘要H=hash(date)。
● A5.ET 利用自身私鑰采用SM9 簽名算法對(duì)摘要H 進(jìn)行簽名,得到簽名信息SP。
● A5.ET 將簽名信息SP 附著在原始信息后,形成組合數(shù)據(jù)包,進(jìn)行加密得到EP,進(jìn)行發(fā)送。
● A6.ES 接收到數(shù)據(jù)EP 后,采用自己私鑰進(jìn)行解密,得到解密之后的數(shù)據(jù)包DP,并啟動(dòng)數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)器,對(duì)收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)號(hào)。
● A7.如果DP 是第1 個(gè)數(shù)據(jù)包,則得到了組合數(shù)據(jù)包,提取出SP,計(jì)算出該ET 對(duì)應(yīng)的公鑰,輸入待簽名信息和簽名,利用SM9 驗(yàn)證簽名是否一致,如果一致證明身份的一證性。
● A8.通信結(jié)束之后,ES 的計(jì)數(shù)器清零。
如圖3 所示,本文用仿真環(huán)境對(duì)傳輸方案進(jìn)行效果驗(yàn)證。硬件環(huán)境上,采用局域網(wǎng)內(nèi)兩臺(tái)主機(jī)進(jìn)行模擬ET 與ES,ET 與ES 的通信過程采用python 套接字socket 實(shí)現(xiàn),傳輸層協(xié)議采用TCP,利用Socket 模擬ET 與ES 之間的電量信息傳輸,傳輸內(nèi)容主要是用戶電力編碼、電量信息、當(dāng)前時(shí)間等信息。SM9 和SM3 的加密代碼使用GMSSL 開源包,GMSSL 是一個(gè)開源的加密包的python 實(shí)現(xiàn),支持SM2/SM3/SM4/SM9 等國密算法。
圖3 仿真環(huán)境圖
作為對(duì)比,圖4 仿真了未加密條件下的ES 所收到明文信息,仿真環(huán)境中只傳輸了用戶的用戶編碼“1234567890”、電表示數(shù)分別是135 和145 以及采集時(shí)的時(shí)間。上述沒有加密的信息在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,信息安全性較差容易造成信息泄漏以及中間人攻擊。在局域網(wǎng)環(huán)境下,可以在第三臺(tái)終端上部署中間人攻擊測試框架MITMF、Ettercap,開展地址欺騙技術(shù)實(shí)現(xiàn)會(huì)話劫持,能夠很方便地實(shí)現(xiàn)信息的篡改,圖5 是利用在第三方終端上部署ettercap 開展中間人攻擊的實(shí)施圖。
圖4 仿真環(huán)境電中網(wǎng)平臺(tái)收到明文信息
圖5 基于Ettercap 的中間人攻擊
圖6 是利用客戶端模擬標(biāo)識(shí)為“1234567890”ET 終端,利用SM9對(duì)所傳輸信息“1234567890+145.00+1612026110.84”進(jìn)行加密之后得到的加密數(shù)據(jù)。ET 將加密數(shù)據(jù)發(fā)送至ES,這能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的保護(hù)。在對(duì)抗中間人劫持方面,該數(shù)據(jù)使用了ES 的公鑰進(jìn)行加密,但只能在ES 平臺(tái)服務(wù)器處進(jìn)行解密,中間人無法進(jìn)行正確的解密,該傳輸能夠有效確保信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>
圖6 仿真環(huán)境SM9 加密結(jié)果
此外,每一次電力用戶第一個(gè)數(shù)據(jù)包為簽名數(shù)據(jù),起到身份認(rèn)證作用,該過程ET 采用自身私鑰對(duì)摘要信息進(jìn)行加密實(shí)現(xiàn)簽名,ES端接收到簽名需要利用自己私鑰解密信息后得到ET 的編碼,進(jìn)而計(jì)算ET 公鑰,存在大量用戶訪問時(shí)ES 端響應(yīng)的問題,但是由于ES端只對(duì)每一個(gè)ET 的第一上數(shù)據(jù)包進(jìn)行驗(yàn)證,后續(xù)通信不再驗(yàn)證,因此也減輕了ES 的響應(yīng)壓力,形成對(duì)ES 的保護(hù)。
電力物聯(lián)網(wǎng)是電力行業(yè)建設(shè)的重點(diǎn),它打通了原本孤立的電力設(shè)備網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了海量設(shè)備的通信串聯(lián),構(gòu)建了傳統(tǒng)行業(yè)的信息通路,提升了電力系統(tǒng)運(yùn)營效率。本文結(jié)合電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展特點(diǎn),對(duì)電力的互聯(lián)互通開展安全分析,結(jié)合國密算法算點(diǎn),探討其在電力物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的應(yīng)用,給出基于SM9 的電力終端與電網(wǎng)平臺(tái)務(wù)器之間的加密通信模式,解決身份認(rèn)證、加密傳輸?shù)劝踩珕栴},為行業(yè)研究和工業(yè)生產(chǎn)提供借鑒思路。未來工作有兩個(gè)方面,一是拓展加密通信在其他電力業(yè)務(wù)場景的應(yīng)用,進(jìn)一步提升電力網(wǎng)安全;另一方面,目前機(jī)制只是基于電量傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)特點(diǎn),以首個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行了身份認(rèn)證,在其他業(yè)務(wù)上可研究身份認(rèn)證次數(shù)優(yōu)化,下一步尋求在控制ES 壓力前提下,增強(qiáng)身份認(rèn)證的有效方法。
網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用2021年7期