NRSEC3000 在電壓監(jiān)測儀安全防護中的應(yīng)用

郭 晶， 季愛明

（蘇州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院， 江蘇 蘇州 215137）

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，配電自動化系統(tǒng)規(guī)模日益擴大，多種通信方式并存及所有報文均采用明文傳輸?shù)耐ㄐ欧绞綄?dǎo)致系統(tǒng)受到各種網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險較大[1]。 加上配變終端安裝位置分布廣，地點分散，形成了設(shè)備數(shù)量多、運行環(huán)境惡劣等特點，部分地區(qū)存在搭接、偽造等接入電力信息網(wǎng)的安全風(fēng)險。 為了保證配電自動化系統(tǒng)的信息傳輸安全，必須采用高效可靠的加密措施進行數(shù)據(jù)安全防護[2]。

1 電壓監(jiān)測儀安全防護方案

在供電電壓自動采集系統(tǒng)中，電壓監(jiān)測儀作為電壓測量終端，將通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)，采用TCP 協(xié)議，基于無線虛擬專網(wǎng)方式與CAC 之間進行數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)如圖1 所示。

數(shù)據(jù)的保密性直接取決于所采用的加密方式、 密碼算法[3]。 目前常用的加密方式有軟加密和硬加密兩種，軟加密不依靠特別的硬件設(shè)備，通過在程序中嵌入特定的軟件加解密包實現(xiàn)加解密，這種方案具有實現(xiàn)方便、兼容性好等優(yōu)點，但密鑰管理難、程序易被跟蹤破解。 硬加密則采用專用加密芯片等硬件設(shè)備在鏈路層對數(shù)據(jù)進行加解密， 其保密性強、加解密速度快。 加密算法則可分為對稱密鑰算法以及非對稱密鑰算法兩類。 對稱密鑰算法速度快，密鑰不宜維護；非對稱密鑰算法速度慢，密鑰便于維護[4]。 由此組合成的加密方案特性見表1。

表1 不同加密方案特性表Tab. 1 Features of different encryption systems

安全高效的加密系統(tǒng)經(jīng)常用對稱秘鑰算法加密大塊的數(shù)據(jù)，用非對稱秘鑰算法對密鑰進行管理、生成數(shù)字簽名，這種混合加密機制使非對稱算法和對稱算法的優(yōu)勢充分發(fā)揮，既保證了數(shù)據(jù)安全又提高了效率[5]。 因此在硬件上實現(xiàn)混合加密機制的安全防護方案可以大大提高加密系統(tǒng)的安全和效率。

2 NRSEC3000 的特點

圖1 供電電壓采集系統(tǒng)Fig. 1 Diagram of supply voltage acquisition system

NRSEC3000 是南瑞公司自主研發(fā)用于電網(wǎng)信息安全防護的專用加密芯片，實現(xiàn)了國家商用密碼產(chǎn)品所需的SM1 對稱算法、SM2 非對稱算法、SM3 雜湊算法等專用加密模塊。 同時擁有ISO7816 和SPI 接口并支持多種通信速率， 所提供的包括電壓、頻率檢測機制，程序和數(shù)據(jù)加密存儲以及代碼保護等安全機制，可有效對抗物理攻擊、剖片探測[6]。 基于NRSEC3000 芯片的SM1、SM2 算法可以較方便的地實現(xiàn)混合加密機制，構(gòu)造出安全、高效的密碼系統(tǒng)，可用于對信息安全有較高要求的應(yīng)用場合。

NRSEC3000 安全芯片通信采用 “一問一答” 方式，即MCU 發(fā)送命令給NRSEC3000 芯片，NRSEC3000 芯片返回應(yīng)答結(jié)果[7]。 芯片支持的每個算法功能都是由一個或多個交互過程完成的，這些交互過程可以分為四種形式：

1）MCU 向芯片發(fā)送命令頭CMD， 芯片返回應(yīng)答狀態(tài)字SW。

2）MCU 向芯片發(fā)送命令頭CMD， 芯片返回數(shù)據(jù)和應(yīng)答狀態(tài)字SW。

3）MCU 向芯片發(fā)送命令頭CMD 和數(shù)據(jù)， 芯片返回應(yīng)答狀態(tài)字SW。

4）MCU 向芯片發(fā)送命令頭CMD 和數(shù)據(jù)， 芯片返回數(shù)據(jù)和應(yīng)答狀態(tài)字SW。

其中CMD 命令頭決定了本次芯片調(diào)用的功能與具體操作參數(shù)， 由5 個字節(jié)組成， 分別是CLA 指令類別，INS 指令碼，P1 參數(shù)1，P2 參數(shù)2，P3 參數(shù)3。 狀態(tài)字SW 標志本次芯片功能調(diào)用是否成功，由2 個字節(jié)組成，若收到的SW 依次為0x90、0x00，則表示成功，其他則表示失敗。

3 NRSEC3000 在供電電壓采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

圖2 是NRSEC3000 加密芯片在電壓監(jiān)測儀中的應(yīng)用電路原理圖。

圖2 NRSEC3000 應(yīng)用電路原理圖Fig. 2 Application circuit schematics of NRSEC3000

圖2 中NRSEC3000 與微處理器的接口為SPI 總線，通信主端可采用SPI 模式3（CPOL=1、CPHA=1），時鐘頻率33MHz，中斷模式處理數(shù)據(jù)收發(fā)。 電壓監(jiān)測儀通過電壓采集模塊獲得電壓數(shù)據(jù)后，由加密芯片NRSEC3000 加密成密文，處理器獲得該電壓密文并通過GPRS 通信接口發(fā)送給遠方主站。

3.2 芯片加解密功能實現(xiàn)

通過圖2 所示的硬件電路，遵循如前所述的芯片操作流程，本文成功實現(xiàn)了NRSEC3000 芯片的底層驅(qū)動， 并將各算法功能封裝成單獨的函數(shù)方便調(diào)用。由于篇幅所限，圖3 僅給出芯片SM1 加密函數(shù)的軟件操作流程（數(shù)據(jù)以十六進制表示）。

在圖3 中，MCU 發(fā)送的5 字節(jié)命令頭由a0 e0 80 p2 p3組成， 其中a0 e0 表示SM1 功能指令，80 表示加密，p2 p3 表示待加密數(shù)據(jù)的長度，p2 為高字節(jié)，p3 為低字節(jié)。發(fā)送aa..表示持續(xù)發(fā)送aa，直到接收到需要的字符；收到..e0 表示持續(xù)接收，直到收到的字符為e0。第一次接收到e0 表示芯片已經(jīng)確認本次調(diào)用的功能為SM1 加密， 第二次接收到e0 表示芯片已經(jīng)確認收到加密數(shù)據(jù)，最后接收到狀態(tài)字90 00，標志SM1加密操作成功。

3.3 安全接入

圖3 SM1 加密函數(shù)流程圖Fig. 3 Flowchart of SM1 encryption function

CAC 是供電電壓自動采集系統(tǒng)的重要組成部分，在系統(tǒng)中發(fā)揮承上啟下的樞紐作用[8]。 當電壓監(jiān)測終端接入CAC 之前，需要進行3 個準備工作，它們是：1）硬件初始化，生成SM2 密鑰對；2）生成安全芯片的證書請求并提交證書簽發(fā)機構(gòu)；3）將簽發(fā)出的終端自身證書及主站公鑰保存本地。 終端的密鑰對與最后簽發(fā)出來的證書是一一對應(yīng)的，如果重新生成密鑰對，則終端原來簽發(fā)的證書將失效，因此上述準備工作只需要在第一次安全接入之前做一次。

圖4 秘鑰協(xié)商軟件流程Fig. 4 Flowchart of key agreement software

完成準備工作，終端將連入GPRS 無線專網(wǎng)與CAC 進行密鑰協(xié)商，只有雙方通過身份認證，才能進行后續(xù)的數(shù)據(jù)通信。 按照報文數(shù)據(jù)的發(fā)送方向與處理過程，整個秘鑰協(xié)商可分3 個步驟， 第一步終端側(cè)向CAC 發(fā)送秘鑰協(xié)商請求報文A；第二步CAC 側(cè)對報文A 解密，向終端發(fā)送秘鑰協(xié)商應(yīng)答報文B；第三步終端側(cè)對報文B 解密，向CAC 發(fā)送秘鑰協(xié)商確認報文C， 具體的軟件流程圖如圖4 所示。 圖4 中報文幀A、報文幀B、報文幀C 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

//密鑰協(xié)商請求報文結(jié)構(gòu)

typedef struct KeyDigReq_Packet_s {

unsigned char type； /* 類型*/

unsigned char s_type； /* 子類*/

unsigned short packetLen； /* 幀長度*/

unsigned char ver_0； /* 版本號*/

unsigned char ver_1； /* 版本號*/

unsigned short sn； /* 序列號*/

unsigned char sim[16]； /*SIM 卡號*/

unsigned char dev_id[18]； /* 裝置ID*/

unsigned char *pcert； /* 數(shù)字證書指針*/

unsigned char eRand[128]； /* 加密隨機數(shù)*/

unsigned char sign[64]； /* 簽名*/

} KeyDigReq_Packet_t；

//密鑰協(xié)商請求應(yīng)答報文結(jié)構(gòu)

typedef struct KeyDigReq_PacketAck_s {

unsigned char type； /* 類型*/

unsigned char s_type； /* 子類型*/

unsigned short packetLen； /* 幀長度*/

unsigned short sn； /* 序列號*/

unsigned char eRand[128]； /* 加密隨機數(shù)*/

unsigned char sign[64]； /* 簽名*/

} KeyDigReq_PacketAck_t；

//密鑰協(xié)商確認報文結(jié)構(gòu)

typedef struct KeyDigReq_PacketAssure_s {

unsigned char type； /* 類型*/

unsigned char s_type； /* 子類型*/

unsigned short packetLen； /* 幀長度*/

unsigned short sn； /* 序列號*/

unsigned char auth[146]； /* 安全認證*/

unsigned char sessionKeyHash [32]； /* 會 話 密 鑰HASH*/

} KeyDigReq_PacketAssure_t；

3.4 數(shù)據(jù)加解密

在協(xié)商好會話密鑰，進行數(shù)據(jù)通信的時候，需要對應(yīng)用層的數(shù)據(jù)報文用SM1 對稱算法進行加解密。 先對原始數(shù)據(jù)報文填充1-16 字節(jié)，使其長度為16 的倍數(shù)，對填充后的原始報文和填充報文使用之前協(xié)商好的會話密鑰DK 進行加密即可。

4 樣機研制與測試

在實現(xiàn)無線加密功能的基礎(chǔ)上，采用LM3S9B96 作為微處理器成功研制了電壓監(jiān)測儀樣機，從電壓采集、通訊模塊、人機接口、數(shù)據(jù)存儲、電源管理等方面設(shè)計了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，軟件以實時操作系統(tǒng)SAFERTOS 為核心進行任務(wù)劃分與調(diào)度，如圖5 所示。

圖5 電壓監(jiān)測儀樣機Fig. 5 Prototype of voltage monitor

經(jīng)測試， 電壓監(jiān)測儀通過NRSEC3000 加密芯片可以成功接入CAC，并進行數(shù)據(jù)傳輸。 表2 給出了終端發(fā)送心跳加密報文的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表2 心跳報文數(shù)據(jù)Tab. 2 Heartbeat packet data

5 結(jié) 論

本文詳細說明了NRSEC3000 加密芯片的工作原理與操作方法， 在編寫NRSEC3000 底層驅(qū)動的基礎(chǔ)上， 利用NRSEC3000 芯片的SM1、SM2 等算法功能， 實現(xiàn)了基于混合加密機制的通信協(xié)議， 有效提高了加密系統(tǒng)的效率與安全。此基礎(chǔ)上研制的電壓監(jiān)測儀樣機成功接入遠方CAC，定時將電壓數(shù)據(jù)加密上傳，為供電電壓采集系統(tǒng)中電力信息的安全傳輸提供了有力保障。 NRSEC3000 加密芯片性能可靠，相應(yīng)的軟硬件改造簡單方便，因此在電壓監(jiān)測儀安全防護中具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 張志華，周捷，丁可. 非對稱數(shù)字簽名技術(shù)在配電自動化系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 電氣自動化，2012，34（3）:39-41.

ZHANG Zhi-hua，ZHOU Jie，DING Ke. The applications of asymmetric encryption of digital signature technology in distribution automation system[J]. Electric Automation，2012，34（3）:39-41.

[2] Q/GDW 1819—2012《電壓監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》[S].國家電網(wǎng)公司，2013.

[3] （美）帕爾著.深入淺出密碼學(xué) 常用加密技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2012.

[4] 俞經(jīng)善，王晶，楊龍. 基于ECC和AES相結(jié)合的加密系統(tǒng)的實現(xiàn)[J]. 信息技術(shù)，2006（2）:44-46.

YU Jing-shan，WANG Jing，YANG Chuan-long. The realization of encryption system based on ECC and AES[J].Information Technology，2006（2）:44-46.

[5] 王紅珍， 李竹林. 基于AES和ECC的混合加密系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計工程，2012，20（4）:9-11.

WANG Hong-zhen，LI Zhu-lin. Design and realization of mixed encrypted system based on AES and ECC [J].Electronic Design Engineering，2012，20（4）:9-11.

[6] 南瑞信通. 安全芯片NRSEC3000硬件使用手冊v1.5 [Z].2013.7.

[7] 南瑞信通. NRSEC3000安全芯片編程手冊v2.0 [Z]. 2013.

[8] 南瑞信通.采集類終端的安全防護v1.7 [Z]. 2013.7.