電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

朱建成

西部安全認(rèn)證中心有限責(zé)任公司，寧夏銀川，750001

0 引言

隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，電力系統(tǒng)在數(shù)字化、自動化水平不斷提高的同時(shí)，也面臨著越來越嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)安全威脅?；诖?，國家電網(wǎng)制定了《配電自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)方案》，提出了“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”十六字方針[1]。

1 電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)的概述

1.1 縱向加密技術(shù)的定義和分類

縱向加密技術(shù)的基本原理是通過加密算法對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，并在接收端進(jìn)行解密驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。縱向加密技術(shù)主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域，以保障重要信息的安全傳輸。縱向認(rèn)證是電力二次安防體系的縱向防御手段，通過縱向加密認(rèn)證裝置可以對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向邊界的安全防護(hù)[2]。

根據(jù)加密的位置和時(shí)間，可以將縱向加密技術(shù)分為以下兩類。

（1）端到端（End-to-End）加密：指在數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠瘘c(diǎn)到終點(diǎn)之間對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，只有通信雙方才能訪問和解讀數(shù)據(jù)內(nèi)容。這種加密方式能夠提供最高級別的安全保護(hù)，但也會帶來一定的傳輸延遲和計(jì)算負(fù)擔(dān)。

（2）路由器加密（Link Encryption）：指在數(shù)據(jù)傳輸路徑中的路由器或交換機(jī)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，保護(hù)數(shù)據(jù)在傳輸過程中的機(jī)密性和完整性，但路由器和交換機(jī)等設(shè)備需要加密處理和管理密鑰，容易被攻擊者攻擊，從而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全性。

此外，還可根據(jù)加密算法的不同，將縱向加密技術(shù)進(jìn)一步分為對稱加密和非對稱加密[3]。

（1）對稱加密（Symmetric Encryption）：加密和解密使用同一個(gè)密鑰，包括DES、3DES、AES等算法。對稱加密速度快、安全性高，但密鑰傳輸和管理的安全性較差，容易被攻擊者攻擊。

（2）非對稱加密（Asymmetric Encryption）：加密和解密使用不同的密鑰，包括RSA、DSA等算法。非對稱加密安全性高，但速度較慢，密鑰管理復(fù)雜。通常用于數(shù)據(jù)傳輸中的身份驗(yàn)證、數(shù)字簽名等方面。

1.2 縱向加密技術(shù)的基本原理

縱向加密技術(shù)可以保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性，因?yàn)榧词构粽吣軌蛟L問部分?jǐn)?shù)據(jù)，也無法獲取完整的信息。同時(shí)，縱向加密還可以允許授權(quán)用戶在不降低數(shù)據(jù)安全性的情況下對特定列或字段進(jìn)行查詢和處理。目前常見的加密算法有DES、3DES、IDES等，國內(nèi)的電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)通常采用RSA和SM2算法[4]，兩種算法的差異見表1。

表1 RSA 和SM2 算法

1.3 縱向加密技術(shù)的應(yīng)用場景

縱向加密技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用場景包括以下幾個(gè)方面。

（1）數(shù)據(jù)傳輸安全：電力系統(tǒng)中存在大量的數(shù)據(jù)傳輸，包括電力負(fù)荷數(shù)據(jù)、電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)的安全性對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要?？v向加密技術(shù)可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸，保障數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性，防止數(shù)據(jù)被篡改或泄露[5]。

（2）設(shè)備安全管理：電力系統(tǒng)中的各種設(shè)備，如變電站、輸電線路、發(fā)電機(jī)組等，都需要進(jìn)行安全管理?？v向加密技術(shù)可以對設(shè)備進(jìn)行身份認(rèn)證和訪問控制，確保只有授權(quán)人員才能對設(shè)備進(jìn)行操作和管理，防止非法入侵和攻擊。

（3）智能電網(wǎng)安全：智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，它涉及大量的信息交互和數(shù)據(jù)處理?？v向加密技術(shù)可以保障智能電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)，防止黑客攻擊和信息泄露。

（4）電力市場交易安全：電力市場交易是電力系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，涉及大量的交易數(shù)據(jù)和資金流動?？v向加密技術(shù)可以對電力市場交易數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和認(rèn)證，確保交易的安全性和可靠性，防止欺詐和非法交易。

2 電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)的發(fā)展

隨著電力系統(tǒng)的普及和信息化程度的不斷提高，縱向加密技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛[6]。未來，縱向加密技術(shù)的發(fā)展趨勢可能包括以下幾個(gè)方面。

（1）提高安全性：加強(qiáng)電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)能力，利用更加安全可靠的算法和技術(shù)，如同態(tài)加密、多方計(jì)算等。

（2）增強(qiáng)實(shí)時(shí)性：為了更好地監(jiān)控電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，縱向加密技術(shù)需要更加快速和高效的實(shí)現(xiàn)方式，例如基于硬件加速的加密技術(shù)。

（3）加強(qiáng)與其他技術(shù)的融合：將縱向加密技術(shù)與大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新興技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)的電力系統(tǒng)管理和控制。

（4）普及應(yīng)用：隨著縱向加密技術(shù)的逐漸成熟和應(yīng)用成本的降低，其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將會越來越普及。

3 電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 縱向加密技術(shù)的工作模式

電力專用縱向加密裝置有網(wǎng)關(guān)模式、透明模式、借用模式、借用1-N模式4種工作模式。

（1）網(wǎng)關(guān)模式：網(wǎng)關(guān)模式又分為兩種，第一種是引入VLAN網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)經(jīng)過VLAN通道進(jìn)行加密和解密，然后轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)設(shè)備；第二種是引入防火墻網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)會安裝在數(shù)據(jù)流通的邊界處，將非法的數(shù)據(jù)攔截，在網(wǎng)關(guān)處進(jìn)行解密或重定向操作。

（2）透明模式：透明模式實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，其間不需要額外的插件、軟件或硬件，其核心是在應(yīng)用層的TCP/IP協(xié)議棧下增加了一個(gè)VLAN軟件，因此用戶方完全無感知，所有的加密操作都被隱藏了。這樣可以極大地減少管理員的工作量以及管理復(fù)雜度。

（3）借用模式：指將一個(gè)特殊的密鑰呈現(xiàn)給其他實(shí)體，從而實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證和保密控制。借用模式通常分為直接借用和間接借用。直接借用將密鑰提供給其他實(shí)體使用，這可以通過信道或密鑰分發(fā)方案來實(shí)現(xiàn)。間接借用會建立一個(gè)可信的第三方來管理密鑰，在需要的時(shí)候參與協(xié)助完成身份認(rèn)證和密鑰交換等相關(guān)操作[7]。

（4）借用1-N模式：基于借用模式的擴(kuò)展版本。它允許一個(gè)會話密鑰（session key）被多個(gè)實(shí)體使用。一旦密鑰呈現(xiàn)給了多個(gè)實(shí)體，它就不能再次被使用，因此，借用1-N模式通常用于短期連接或事務(wù)。

3.2 縱向加密技術(shù)的部署方案

縱向加密裝置的部署方式有部署于通信網(wǎng)關(guān)與交換機(jī)之間、部署于交換機(jī)與路由器之間兩種，兩種部署方式對比如表2所示。

表2 兩種部署方式對比表

3.3 縱向加密技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

（1）安全保障

電力系統(tǒng)中的各種設(shè)備和用戶需要進(jìn)行身份認(rèn)證，以確保只有合法的用戶和設(shè)備才能訪問系統(tǒng)?？v向加密技術(shù)可以通過數(shù)字證書、密碼驗(yàn)證等方式進(jìn)行身份認(rèn)證，防止非法用戶和設(shè)備的入侵。電力系統(tǒng)中的各種通信都需要保證安全性，以防止黑客攻擊和數(shù)據(jù)泄露?？v向加密技術(shù)可以通過加密通信協(xié)議、數(shù)字簽名等方式保證通信的安全性。電力系統(tǒng)中需要對各種設(shè)備和用戶進(jìn)行安全管理，以確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性?？v向加密技術(shù)可以通過訪問控制、審計(jì)日志等方式進(jìn)行安全管理，防止非法操作和數(shù)據(jù)篡改。

（2）數(shù)據(jù)保護(hù)

數(shù)據(jù)庫中存儲有用戶信息、電力負(fù)荷數(shù)據(jù)等重要信息，如果這些數(shù)據(jù)泄露，將會給電力系統(tǒng)帶來極大的損失。因此，電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫需要采用縱向加密技術(shù)進(jìn)行加密，以保護(hù)這些敏感信息的安全性。電力系統(tǒng)中的文件也包含大量的敏感信息，比如電力設(shè)備維護(hù)記錄、電力系統(tǒng)規(guī)劃等。使用縱向加密技術(shù)可以對文件進(jìn)行加密，確保其機(jī)密性和完整性。只有經(jīng)過授權(quán)的用戶才能夠訪問和修改這些文件，從而避免了未經(jīng)授權(quán)的訪問和篡改。電力系統(tǒng)中的認(rèn)證信息，如用戶賬號和密碼等，也必須得到很好的保護(hù)。使用縱向加密技術(shù)可以對認(rèn)證信息進(jìn)行加密，保護(hù)用戶的隱私和安全[8]。

（3）通信保密

縱向加密技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)通信中常用的一種安全加密技術(shù)。通過對通信內(nèi)容進(jìn)行加密，能夠防止未經(jīng)授權(quán)的人員獲取通信內(nèi)容，從而確保通信的機(jī)密性；在加密的同時(shí)進(jìn)行數(shù)字簽名處理，可以確保通信內(nèi)容的完整性和真實(shí)性，以防止信息被篡改；此外，還能夠進(jìn)行認(rèn)證，確保通信雙方的身份和通信的可靠性，防止通信中出現(xiàn)欺騙和偽裝。通過對通信內(nèi)容進(jìn)行壓縮和優(yōu)化，不僅能提高通信效率，減少通信延遲和帶寬占用，而且還能提高通信質(zhì)量。

4 電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)的挑戰(zhàn)

4.1 安全性挑戰(zhàn)

（1）密鑰管理：縱向加密需要在不同層級之間傳遞密鑰，密鑰管理的不當(dāng)可能導(dǎo)致密鑰泄露或者被攻擊者獲取，從而破壞整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

（2）網(wǎng)絡(luò)攻擊：電力系統(tǒng)的縱向加密需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，若網(wǎng)絡(luò)存在漏洞或者未經(jīng)授權(quán)的訪問，攻擊者可以利用這些漏洞竊取數(shù)據(jù)、篡改數(shù)據(jù)或者進(jìn)行拒絕服務(wù)攻擊。

（3）物理攻擊：電力系統(tǒng)的縱向加密設(shè)備通常放置在不可信的環(huán)境中，如變電站和輸電線路等，攻擊者可以通過物理攻擊方式獲取設(shè)備信息或者直接破壞設(shè)備，從而影響系統(tǒng)的安全性。

（4）合規(guī)性要求：電力系統(tǒng)是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，相關(guān)的加密技術(shù)必須符合政府法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。若不能滿足合規(guī)性要求，電力系統(tǒng)的縱向加密技術(shù)將無法得到應(yīng)用。

4.2 可靠性挑戰(zhàn)

（1）系統(tǒng)可靠性：電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)需要保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，一旦出現(xiàn)故障或者錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗或者被泄露。

（2）數(shù)據(jù)完整性：在數(shù)據(jù)傳輸過程中，若發(fā)生數(shù)據(jù)篡改或者丟失，將會影響到電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。因此，電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)需要保證數(shù)據(jù)的完整性。

（3）可擴(kuò)展性：隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展和升級，縱向加密技術(shù)也需要不斷更新和升級，以滿足新的需求和挑戰(zhàn)。因此，電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)需要具備良好的可擴(kuò)展性。

（4）設(shè)備兼容性：電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)需要與各種不同類型的設(shè)備進(jìn)行兼容，否則將無法實(shí)現(xiàn)縱向加密的目的。因此，電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)需要具有良好的設(shè)備兼容性。

5 結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和智能化進(jìn)程的加速，電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也越來越受到關(guān)注。目前，電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。未來，電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)的應(yīng)用將會更加廣泛和深入。電力系統(tǒng)縱向加密技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，也是電力系統(tǒng)智能化進(jìn)程的必要條件。我們應(yīng)該加強(qiáng)對縱向認(rèn)證加密技術(shù)的研究和應(yīng)用，不斷提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性，為電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。