基于AIE 模式的電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)設(shè)計

江浩

（國網(wǎng)荊州供電公司，湖北荊州 434000）

物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代化的物與物之間的通信技術(shù)，近幾年來，由于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)且周到的傳輸服務(wù)在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高度重視的同時，人們對電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信的安全要求也越來越高，研究人員提出的電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證模塊，雖然已經(jīng)滿足用戶的基本需求，但電力物聯(lián)網(wǎng)通信信息加密數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)用戶都較為復(fù)雜，往往會導(dǎo)致傳統(tǒng)電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)中的通信加密模塊對外界的防御能力下降，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)用戶存儲的通信信息加密數(shù)據(jù)被泄露[1-2]。

除此之外，軟件編寫的通信加密程序中存在著海量繁雜的網(wǎng)絡(luò)信息，這些網(wǎng)絡(luò)信息會對網(wǎng)絡(luò)的連通能力產(chǎn)生影響，基于以上出現(xiàn)的問題，該文設(shè)計了一種基于AIE 模式的電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)，該認(rèn)證系統(tǒng)應(yīng)用了AIE 模式，加強了電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)對外界的防御能力，并且不會影響網(wǎng)絡(luò)連通的能力，即使外界出現(xiàn)了較強的干擾或者網(wǎng)絡(luò)遭到不明攻擊，網(wǎng)絡(luò)用戶存儲的加密通信數(shù)據(jù)均不會受到影響，因為該系統(tǒng)建立了分層網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)計了雙重密鑰池保護節(jié)點來保護網(wǎng)絡(luò)用戶的隱私安全，加密通信模塊密鑰的設(shè)計以及網(wǎng)絡(luò)分發(fā)更新管理增強了認(rèn)證系統(tǒng)的可靠性，進一步提升了系統(tǒng)的綜合防御能力。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 電源電路設(shè)計

系統(tǒng)的電源分為兩部分：一部分是10 V 的直流電，給信號電路板提供工作電壓，另一部分是36 V 交流電，給電力無線傳感設(shè)備提供輸入的工作電壓。系統(tǒng)涉及產(chǎn)生的10 V 直流電，電源輸入設(shè)備為18 V，電流為500 mA,這部分電路主要完成18 V 轉(zhuǎn)10 V 的工作，電路中選擇的芯片是TI2865，該芯片具有較強的電路轉(zhuǎn)換能力，需要增設(shè)一些外圍器件構(gòu)成穩(wěn)壓電路，電路中設(shè)置有電壓輸入端、穩(wěn)壓輸出端、控制端和接地端[3-5]。系統(tǒng)電源電路如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)電源的另一部分為36 V 交流電，外部接入的電源由普通的電池提供，既降低了系統(tǒng)的成本又具有實用性，輸入的電壓為36 V，所以這部分電壓需要穩(wěn)壓輸出36 V，選用的電源芯片為IL1726，該芯片是電流為10 A 的電路單片轉(zhuǎn)換器。正常工作時不需要太多的外圍器件，電源的反饋回路應(yīng)用了乘法器，電源的開關(guān)與電流限制器件設(shè)置在集成電路中，電源電路工作時，輸入的電壓如果遇到波動電源會立即做出回應(yīng)，所以該電源電路具有很強的動態(tài)性能，與前面10 V 直流電源不同的是，36 V 電源電路設(shè)置有限流端和控制端，電壓可用于無線電設(shè)備，兩個電源電路獨立工作，電源之間設(shè)置了隔離電路所以不會產(chǎn)生干擾[6-7]。

1.2 通信器設(shè)計

基于AIE 模式的電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)通信器選用的芯片為TI 公司生產(chǎn)的TP4B6R804，這款芯片是TI 公司旗下的最新系列芯片，作為通信器的核心處理器，采用常見的550 nm，效率高、體積小、工作壽命長的激光二極管作為系統(tǒng)通信器的產(chǎn)生器件，它可以接收由傳感器傳輸?shù)募す庑盘?，將電源電路中的?shù)據(jù)處理模塊轉(zhuǎn)換成激光二極管中的數(shù)據(jù)，具有較多的輸入輸出串口作為接口，通信器的這款芯片功耗較低，內(nèi)部存在海量的宏單元數(shù)，輸入輸出總線達(dá)到150 個，通信器內(nèi)部設(shè)有48 個模擬算法乘法器、8 kB 的RAM 以及6 個增強型的鎖相環(huán)[8-10]。通信器芯片如圖2 所示。

圖2 TP4B6R804芯片

該認(rèn)證系統(tǒng)的通信器可以及時處理網(wǎng)絡(luò)通信過程中出現(xiàn)的誤碼，以此降低通信誤碼率，同時還具有較強的自我糾錯能力，為了使基于AIE 模式的電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)具有較強的通信穩(wěn)定性和可靠性，通信器可以采用卷積碼為網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)編碼處理，通信器的約束長度為8，通信器內(nèi)部設(shè)置的控制器將編碼效率控制在1/3，通信器在系統(tǒng)正常工作時的卷積碼為（3，2，8），這款卷積碼在保證差錯控制能力正常的情況下，可降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜程度，以此保證數(shù)據(jù)可以通過通信器實現(xiàn)高速處理，通信器的串口在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可由6 個減少為3個，這樣可以及時維護通信器設(shè)備。

1.3 加密器設(shè)計

基于AIE 模式的電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)的加密器是整個認(rèn)證系統(tǒng)的核心，加密器內(nèi)部設(shè)置的時鐘調(diào)節(jié)范圍控制在10～45 MHz，加密器內(nèi)部設(shè)有6 級可選擇的電位復(fù)位，這樣的設(shè)計可以節(jié)省器件外部的復(fù)位，速度快且功耗較低，內(nèi)部設(shè)置的時鐘不需要太高精度，加密器上電就可以進行復(fù)位工作，內(nèi)部指令執(zhí)行的速度非?？欤ǔＪ瞧胀▎纹瑱C的8～16 倍，單片機與普通指令可以兼容，單片機內(nèi)部設(shè)有模擬乘除法指令，輸入輸出串口達(dá)到38 個，加密器所有的I/O 口需要配置成6 種工作模式，設(shè)置的I/O 引腳的驅(qū)動電流達(dá)到了40 mA，正常工作時的最大電流不會超過100 mA[11-12]。加密器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 加密器結(jié)構(gòu)

加密器的通信部分采用了三星公司生產(chǎn)的復(fù)合IC 芯片，加密器的內(nèi)部調(diào)制解調(diào)器支持串口協(xié)議，其傳輸信號的速率可以達(dá)到1 600 b/s，它可以通過串行接口的總線與加密器的單片機進行實時通信，串行接口的總線設(shè)有串口數(shù)據(jù)線、定位器總線、單片機內(nèi)線，加密器的調(diào)制解調(diào)器可以使認(rèn)證系統(tǒng)加強振鈴功能，同時也可以接受來自通信器發(fā)送過來的網(wǎng)絡(luò)信息信號，以及時檢測系統(tǒng)語音的頻譜[13]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在電力物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)中，電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)的CPU 處理性能語音內(nèi)存容量的大小容易受到諸多因素的限制，電力物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，并且具有很強的不穩(wěn)定性，所以電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中不會出現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)點較多的密鑰，為了解決這樣的問題，該文設(shè)計了AIE 模式加密密碼系統(tǒng)，系統(tǒng)的實現(xiàn)需要提供密鑰交換的解決方案，具體方案包括ID 密鑰之間進行替換，這樣就不需要過多的硬件設(shè)備，同時也不需要無線網(wǎng)絡(luò)的參與，實現(xiàn)了一個節(jié)點可以同時傳輸4～8 個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。在電力物聯(lián)網(wǎng)中，可以安全有效地通過節(jié)點傳輸而使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)饺我庖粋€子群，子群中的源節(jié)點在連接網(wǎng)絡(luò)時有時可能會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，群鑰不適合在動態(tài)較明顯且規(guī)模較小的群組中存在，群組規(guī)模越大，群越穩(wěn)定[14-16]。AIE 加密密碼方式可以實現(xiàn)任意網(wǎng)絡(luò)信息密碼加密，或者列舉出電力物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)的傳感子群，在實際加密方案中這種方式非常實用。

電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證流程如圖4 所示。

圖4 電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證流程

首先在電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信中對網(wǎng)絡(luò)密鑰進行編碼。在編碼過程中，需要考慮影響編碼速度的內(nèi)在因素，一個是密鑰的長度，另一個是密鑰排序的復(fù)雜程度，這對基于AIE 模式的電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)的安全性非常重要，所以在對網(wǎng)絡(luò)密鑰進行編碼時，需要考慮密鑰的長度。

對密鑰編碼完成后開始設(shè)計對稱加密密鑰。當(dāng)電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信過程中產(chǎn)生大量復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)信息時，需要對對稱密鑰進行系統(tǒng)性的加密處理，對稱密鑰與普通密鑰接收的密鑰基本相同，但對稱密鑰相對來講安全性較低，所以需要進行加密處理，這樣的設(shè)計可以提高電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)加密通信的工作效率，認(rèn)證過程中任意一個密鑰傳輸?shù)矫荑€分發(fā)端，可以直接選取對稱密鑰進行網(wǎng)絡(luò)信息的加密。

最后在認(rèn)證電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信時要在密鑰分發(fā)端設(shè)計非對稱密鑰。非對稱密鑰對基于AIE 模式的電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信系統(tǒng)的安全性起到重要的作用，因為非對稱密鑰在密鑰分發(fā)端進行設(shè)計時需要設(shè)計一道保護墻，電力物聯(lián)網(wǎng)加密信息輸入到無線網(wǎng)絡(luò)后，會自動存儲在線性密鑰的寄存器中，然后寄存器將加密密鑰傳輸?shù)绞瞻l(fā)端，當(dāng)加密密鑰被外界破解時，密鑰分發(fā)端為保護系統(tǒng)自動生成非對稱密鑰，系統(tǒng)認(rèn)證即完成。

3 實驗研究

為檢測該文提出的基于AIE 模式的電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)的有效性，與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行實驗對比，得到的通信時間過程穩(wěn)定性實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 通信穩(wěn)定性實驗結(jié)果

認(rèn)證時延實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 認(rèn)證時延實驗結(jié)果

根據(jù)上述實驗結(jié)果可知，該文的認(rèn)證系統(tǒng)工作效果更好。該文設(shè)計的電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)采用了AIE 模式，對電力物聯(lián)網(wǎng)通信信息進行了系統(tǒng)的加密處理，降低了網(wǎng)絡(luò)之間連通的影響，對電力物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信數(shù)據(jù)進行加密使認(rèn)證系統(tǒng)的防御能力更強。通過設(shè)計對稱密鑰與非對稱密鑰，避免了大量復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)發(fā)生密鑰泄露，保證了較高的分發(fā)效率，有效防止由于分發(fā)速度較慢而造成加密密鑰失效，提高了電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)的安全性。除此之外，加密密鑰的設(shè)計降低了電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連通率與密鑰的復(fù)雜程度，加密通信認(rèn)證系統(tǒng)所占的內(nèi)存由于降低了密鑰的復(fù)雜程度而顯著提高，所以大大降低了電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)的功耗，提高了網(wǎng)絡(luò)信息加密的工作效率。該文在系統(tǒng)硬件方面設(shè)計了電源電路、通信器與加密器，電源電路為系統(tǒng)提供了工作電壓，通信器與加密器的設(shè)計加強了電力物聯(lián)網(wǎng)通信的效率以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，所以整個系統(tǒng)在設(shè)計上比較簡單且容易實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)信息的加密設(shè)計使網(wǎng)絡(luò)信息更具有共享性，網(wǎng)絡(luò)用戶可以共享合法的網(wǎng)絡(luò)信息資源，在認(rèn)證加密通信信息時，加密密鑰的設(shè)計使其更具有整合性與可靠性，電力物聯(lián)網(wǎng)存在的能量更大，認(rèn)證系統(tǒng)存儲網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點的內(nèi)存容量顯著增大，從而進一步提高了基于AIE 模式的電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信防御能力。

4 結(jié)束語

該文設(shè)計了基于AIE 模式的電力物聯(lián)網(wǎng)加密通信認(rèn)證系統(tǒng)，通過對這兩種加密密鑰的編寫，使本系統(tǒng)更加安全、可靠，與此同時降低了電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連通對系統(tǒng)的影響，當(dāng)電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信息較大時，可提高加密通信認(rèn)證系統(tǒng)的內(nèi)存空間，通過編寫軟件實現(xiàn)系統(tǒng)大容量保存網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的可靠性。