智能變電站二次系統(tǒng)通信規(guī)約安全增強

汪晨，邵志鵬，黃秀麗

（國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院信息通信研究所，江蘇 南京 210003）

1 引言

國內變電站主要有傳統(tǒng)變電站和IEC61850標準[1]的智能變電站，由于智能變電站設備能夠進行互操作，且電網(wǎng)公司也在大力推廣智能變電站，因此，智能變電站將是發(fā)展趨勢[2,3]。

隨著智能電網(wǎng)[4-6]的廣泛應用，電力信息化開放程度越來越高，信息安全受到重視[7,8]。目前，變電站安全防護措施主要為變電站二次系統(tǒng)安全防護，它更像是個隔離防護設備，能夠防護變電站內部系統(tǒng)與變電站外界的安全，而對于變電站內部的二次系統(tǒng)通信規(guī)約安全防護卻無能為力。根據(jù)統(tǒng)計顯示，80%的網(wǎng)絡攻擊源于內部網(wǎng)絡。傳統(tǒng)的直連方式安全問題并不突出，主要原因在于攻擊者不易接入系統(tǒng)，且易被發(fā)現(xiàn)。而具備互操作的智能變電站，攻擊者一旦接入站內網(wǎng)絡，即可展開攻擊，且不易被發(fā)現(xiàn)。

基于IEC61850標準的智能變電站內部在通信規(guī)約設計上，并未進行安全設計。攻擊者一旦接入站內網(wǎng)絡，便可以隨心所欲地進行破壞工作。為了彌補IEC61850的安全問題[9,10]，IEC62351標準[11-13]中給出了變電站通信規(guī)約安全的定義，參考文獻[14-16]從不同角度研究和探討IEC62351標準，但都有一個不足之處，對指導實際開發(fā)變電站安全設備還不具備足夠的指導，如IEC62351標準中提出的GOOSE/SMV時間要求為4 ms，而實際變電站環(huán)境中時間在微秒級才能夠實時處理報文。

電力是國家重要的基礎設施，安全穩(wěn)定運行是最基本的要求。本文結合IEC62351標準與變電站實際運行情況，對智能變電站二次系統(tǒng)通信規(guī)約進行安全增強研究與設計開發(fā)，以指導變電站站內通信規(guī)約安全設備的開發(fā)。規(guī)約安全增強包括MMS（manufacturing message specification，制造報文規(guī)范）規(guī)約的關聯(lián)認證和防重放攻擊、傳輸層加密通信、GOOSE（generic object oriented substation event，面向通用對象的變電站事件）/SMV（sampled measured value，采樣測量值）規(guī)約的簽名認證和防重放攻擊、站內密鑰分配、安全增強后的報文分析。最后，對增強的規(guī)約設備運行的時延或數(shù)據(jù)處理做簡要分析。

2 通信規(guī)約安全增強

2.1 規(guī)約安全增強框架

變電站二次系統(tǒng)通信規(guī)約安全增強框架依據(jù)IEC62351標準，結合變電站實際，對IEC61850標準智能變電站站內通信規(guī)約MMS和GOOSE/SMV進行安全增強，如圖1所示。

（1）MMS 規(guī)約安全增強

MMS規(guī)約安全增強體現(xiàn)為應用層的應用認證和傳輸層的通信加密。應用層在MMS關聯(lián)過程對MMS客戶與服務進行雙向簽名認證和防重放攻擊，傳輸層在TCP基礎上，引入SSL/TLS協(xié)議進行通道加密。

（2）GOOSE/SMV 規(guī)約安全增強

GOOSE/SMV規(guī)約安全增強對報頭進行CRC檢驗，對報文體進行簽名認證，對報文進行重放攻擊。

（3）密鑰分配

對（1）和（2）中的簽名認證和通信加密涉及的密鑰進行分配以及規(guī)約增強后報文分析設備的密鑰分配。

本文還將對簽名認證算法在GOOSE/SMV運行的實時嵌入系統(tǒng)中運行的時間參數(shù)進行分析。

2.2 MMS通信規(guī)約安全增強

MMS規(guī)約安全增強一是在應用層增加MMS關聯(lián)認證和防重放攻擊功能，二是在傳輸層之上使用定制的SSL/TLS協(xié)議，如圖2所示。

MMS規(guī)約在應用層上使用ACSE（association control service element，關聯(lián)控制服務元素），ACSE的關聯(lián)請求單元（AARQ）和關聯(lián)響應單元（AARE）聲明了認證功能單元的描述，但未有實現(xiàn)內容，且默認情況下認證功能單元不啟用。在傳輸層上僅使用傳統(tǒng)的TCP。

本文在具備認證功能單元的ACSE基礎上，啟用ACSE的認證功能單元，設計認證功能單元數(shù)據(jù)結構，設計認證過程。在認證過程同時，引入防重放攻擊功能，使得MMS應用層同時具備認證與防重放攻擊功能。在傳輸層引入定制SSL/TLS協(xié)議。

圖1 規(guī)約安全增強框架

圖2 MMS規(guī)約安全增強

圖3是增強的MMS交互過程，其中陰影部分為安全增強部分，相較于普通的MMS，增強了傳輸層的加密通道功能和應用層的認證及防重放攻擊功能。

圖3 MMS規(guī)約安全增強通信過程

2.2.1 MMS關聯(lián)認證及防重放攻擊

為了能夠兼容之前的MMS規(guī)約，通過以下3個步驟完成MMS規(guī)約的關聯(lián)認證：

·啟用ACSE的認證功能單元；

·設計認證數(shù)據(jù)結構；

·設計雙方認證流程。

ACSE認證功能單元如圖4所示，AARQ-apdu和AARE-apdu分別對應ACSE的關聯(lián)請求與關聯(lián)響應數(shù)據(jù)結構。認證功能單元啟用標識未啟用時，認證機制和認證結構同時不被使用。ACSE默認情況下不啟用認證功能單元啟用標識，認證機制名為雙方選定，認證數(shù)據(jù)結構默認僅為一個聲明。

安全增強的MMS關聯(lián)認證功首先啟用sender-acserequirements和responder-acse-requirements兩個域值，且值為authentication(0)；然后定義認證數(shù)據(jù)結構，并將認證數(shù)據(jù)結構的標識符作為認證機制值。認證數(shù)據(jù)結構定義如圖5所示。

圖5(a)為認證數(shù)據(jù)結構的抽象接口，圖5(b)為定義的認證數(shù)據(jù)結構。認證數(shù)據(jù)結構主要有以下3項內容。

（1）SignatureCertificate：簽名驗證證書

SignatureCertificate::=OCTET STRING(size(0..8192))

SignatureCertificate最大可攜帶8 192 byte內容。在關聯(lián)認證過程，簽名方發(fā)送簽名時間時，主動將驗證簽名的證書通過域SignatureCertificate發(fā)送給驗證方。SignatureCertificate內容應按照基本編碼規(guī)則編碼的X.509證書。

（2)SignedValue：簽名值

SignedValue::=OCTET STRING(size(0..256))

SignedValue為發(fā)送方用自己的私鑰對時間值摘要的簽名。

（3)Time:認證值創(chuàng)建時間

圖4 AARQ和AARE認證功能單元

圖5 MMS關聯(lián)認證數(shù)據(jù)結構定義

Time為開始創(chuàng)建認證值的時間，用GeneralizedTime格式表示的格林威治時間（GMT）值。Time同時可以防重放攻擊使用。

防重放攻擊使用關聯(lián)認證的時間值，在簽名驗證通過后，使用最近一次的歷史時間值與Time做差比較，超過閾值，則拒絕接收對方的請求或響應。只在允許的時間范圍內方可接收對方的請求或響應。

認證與防重放攻擊過程如圖6所示。

圖6 MMS關聯(lián)認證與防重放過程

詳細步驟如下。

（1）關聯(lián)請求發(fā)起者

步驟1 設置sender-acse-requirements為authentication(0)、認證機制值為認證數(shù)據(jù)結構ID。

步驟2 獲取系統(tǒng)時間Time，使用散列算法對Time進行摘要運算，HTime=Hash(Time)。

步驟3 加載私鑰Key和證書 （帶CA簽名的公鑰）Cert，并使用私鑰對HTime進行簽名，SignedValue=Encrypt(Key,HTime)，其中，Encrypt表示通過密鑰給值HTime進行加密。

步驟4 先將證書Cert、Time和SignedValue封裝成認證數(shù)據(jù)結構；再將認證數(shù)據(jù)結構賦給called-authenticationvalue，完成AARQ-apdu其他域的操作，并將AARQ-apdu發(fā)送至接收者。

（2）關聯(lián)響應者

步驟1 提取關聯(lián)請求者的AARQ-apdu。

步驟2 判定是否存sender-acse-requirements，且值為authentication(0)，若不存在，或是值不為 authentication(0)，則報關聯(lián)功能未啟用錯誤，拒絕關聯(lián)。

步驟3 提取認證機制值，若不存在且不等于認證數(shù)據(jù)結構的ID值，則報關聯(lián)認證機制不一致錯誤，拒絕關聯(lián)。

步驟4 分別提取認證數(shù)據(jù)結構值的證書Cert、時間值 Time、簽名值 SignedValue。

步驟5 加載CA證書，使用CA證書驗證關聯(lián)請求者的證書Cert是否有效，若無效，報證書無效錯誤，并拒絕關聯(lián)。

步驟6 先使用證書Cert解密簽名值SignedValue，HTime’=Decrypt(Cert,SignedValue)，再使用散列算法對時間 Time進行運算，HTime’’=Hash(Time); 比較 HTime’和HTime’’，若不相等，則報簽名不正確錯誤，拒絕關聯(lián)；此步驟中的Decrypt表示使用Cert對SignedValue進行解密操作。

步驟7 提取防重放攻擊閾值T，最近關聯(lián)時間LTime；其中，T可配置且參考值為 10 min，LTime初始值為0，表示無歷史關聯(lián)時間。

步驟8 計算LTime和Time差值是否在閾值范圍內，若是，報重放攻擊錯誤，拒絕關聯(lián)。

步驟9 關聯(lián)成功。

關聯(lián)成功后，關響應者同樣會發(fā)起關聯(lián)認證，然后關聯(lián)請求者接收關聯(lián)認證，此過程上述步驟類似，區(qū)別在于sender-acserequirements被responder-acse-requirements替代、calledauthentication-value被responding-authentication-value替代以及時間、公鑰與證書內容不相同等，在此不再描述。

（2）傳輸層 SSL/TLS 增強

傳輸層TCP之上使用SSL/TLS協(xié)議實現(xiàn)安全加密隧道，由于變電站內部環(huán)境的特殊性，對SSL/TLS有以下要求：

· 加密套件不能為null；

·SSL/TLS版本需要為SSL3.1之上；

·啟用密碼重協(xié)商機制，且重協(xié)商值可配置；

· 支持多證書機構，證書長度建議不要超過8 192 byte，證書撤銷和取消過程中，不應該導致已有連接終止；

· 為了統(tǒng)一通信，端口設定為3782。

本文不討論SSL/TLS具體內容，詳見RFC2246[17]。

2.3 GOOSE/SMV通信規(guī)約安全增強

GOOSE/SMV規(guī)約使用在實時性要求非常高的合并單元和智能終端上，雖然IEC62351標準提出小于4 ms，但在實際過程中，要遠遠小于此值。如合并單元的SMV報文以周期80次采樣為例，則1s要處理4000幀，1幀僅250 μs。因此，GOOSE/SMV暫不采用加密，僅采用簽名和防重放攻擊增強。

GOOSE/SMV簽名安全增強如圖7所示，它包含兩個部分：一是對報文頭部進行CRC校驗，二是對報文進行簽名。CRC校驗防護報文頭部被篡改，簽名驗證確保報文內容不被篡改，且能夠確認報文的可信來源。簽名內容包含CRC校驗值，同時保護報文頭部。

圖7 GOOSE/SMV安全增強方法

GOOSE/SMV簽名安全增強內容如圖8所示，圖8(a)為IEC61850標準的報文結構，圖8(b)為安全增強的報文結構，安全增強體現(xiàn)在以下幾個方面。

·使用標準報文的保留2字段，存放CRC校驗值，CRC校驗內容為 TPID、TCI、EtherType和 APPID域的8 byte內容。CRC校驗采用CRC16算法。

·保留1字段保存擴展部分的長度，擴展部分包含有簽名值。

·擴展部分主要包含簽名值，此外，擴展部分還包含了一個保留域和商家私有信息域。本文不僅考慮簽名值，將忽略保留域和商家私有信息的處理。

圖8 GOOSE/SMV報文結構

擴展的定義數(shù)據(jù)結構如圖9所示，reserved和private暫僅提供聲明，signature為簽名值，長度最大可以支持2 048 bit的簽名長度。

圖9 擴展數(shù)據(jù)結構定義

簽名算法可采用RSA算法與HMAC算法，但由于RSA算法的實時性太差（加解密時間為毫秒量級），因此在硬件未升級前提下建議使用HMAC，以保證實時性要求，確保在不影響業(yè)務前提下，盡量保證安全。

防重放防護GOOSE/SMV裝置被重放攻擊同樣必要。單幀故障重放攻擊會對GOOSE報文產生非常嚴重的影響，因為GOOSE報文為動作報文；而連續(xù)多幀的重放攻擊對SMV具備同樣嚴重的影響，因為接收的數(shù)據(jù)不足以反映正常的設備狀態(tài)。

GOOSE報文中具有時間參數(shù)，可以直接使用；而SMV報文中沒有時間參數(shù)，需要首先添加時間結構，才能使用。SMV時間結構如圖10所示，security域為SAV報文結構中的保留域，為了兼容性，在security域上添加時間域。

圖10 SMV時間添加的結構

包含簽名與防重放的GOOSE/SMV規(guī)約安全增強的交互流程如圖11所示，圖11(a)為普通過程，圖11(b)為安全增強過程，其中陰影部分為安全增強功能。

詳細步驟如下。

（1）發(fā)送端

步驟1 構造APDU。

步驟2 構造報文擴展（extension）的TLV結構。擴展結構主要為認證（authentication）的TLV結構，其中T為標簽，L表示值V的長度，V表示值；構造TLV結構時，V的長度依據(jù)簽名算法輸出值長度確定，且初始值預設為0。

步驟3 extension長度計算。計算extension的TLV結構的長度，并填充至保留1字段。

步驟4 填充EtherType和APPID字段；填充鏈路信息，即源 MAC地址、目的MAC地址、TPID、TCI。

步驟5 CRC計算。

步驟6 簽名值計算。

步驟7 發(fā)送報文。

（2）接收端

步驟1 接收報文，并解析報文結構。

步驟2 驗證簽名。

步驟3 驗證CRC。

步驟4 防重放攻擊驗證。

2.4 密鑰分配

在通信規(guī)約安全增強中，提供了兩種形式的加密算法：非對稱加密算法和對稱加密算法。非對稱加密算法應用于MMS身份認證和GOOSE/SMV簽名認證；加密算法應用于MMS隧道建立后的加密過程以及GOOSE/SMV采用HMAC方式的簽名認證。變電站中，除設備通信外，還有網(wǎng)絡分析設備，還需要考慮這些網(wǎng)絡設備的處理問題。

（1）通信設備密鑰分配

現(xiàn)代加密多采用算法可公開，密鑰不公開。對于非對稱加密，公鑰可公開，私鑰不公開。在規(guī)約安全增強過程中，涉及MMS關聯(lián)認證和加密通道、GOOSE/SMV簽名認證。

MMS關聯(lián)認證、SSL/TLS隧道，使用非對稱的加密算法，且對實時性要求不是特別緊急，可采用私鑰自己保留，公開由CA統(tǒng)一簽發(fā)證書。私鑰可采用硬件或軟件保存，建議采用硬件保存；公鑰通過CA簽名后，公開給對端。

圖11 GOOSE/SMV安全增強交互過程

GOOSE/SMV簽名認證由于非對稱算法目前不能夠滿足實時性要求，可采用HMAC算法，使用對稱密鑰。對稱密鑰分配是關鍵，而對于變電站實際設備，頻繁更新密鑰并不實際，可采取預設密鑰，且密鑰以加密形式保存在裝置中。待設備性能滿足使用非對稱算法時，可采用非對稱的密鑰分配。

（2）報文分析設備處理

在沒有安全增強的變電站中，報文分析設備可以直接分析報文，但在安全增強的變電站中，報文分析設備需要有密鑰才可以分析報文。

①MMS關聯(lián)認證與加密通信

MMS關聯(lián)認證與加密通信，使用非對稱的加密算法，對于需要有私鑰進行驗證簽名的方式MMS關聯(lián)認證，并無可取辦法，因為只有私鑰才可以認證簽名，提供私鑰給報文分析設備，顯示不符合非對稱加密的安全原則?？刹扇‰x線分析方法，并輔以管理方式將私鑰備份集中于統(tǒng)一安全設備中，安全設備提供接口，接口能夠直接對報文進行簽名驗證，返回驗證結果，而密鑰對報文分析請求者是透明的存在。

MMS加密通信采用的是SSL/TLS方式，實際加密密鑰是SSL/TLS在構建通道時協(xié)商的一次性共享密鑰。本文簡要介紹一種臨時密鑰分發(fā)方式來解決在SSL/TLS通信過程中，通信密鑰至報文分析設備的分配過程，其可達到準實時分析，如圖12所示。

圖12 臨時密鑰分發(fā)過程

通信雙方通過SSL/TLS構建加密通道時，協(xié)商好通信密鑰后，服務端將協(xié)商的密鑰和鏈接信息發(fā)送至臨時密鑰管理中心；臨時密鑰管理中心保存有不同時段、不同鏈路的臨時密鑰信息以及報文分析設備所在鏈路信息，并實時將關聯(lián)的鏈路密鑰推送至報文分析設備；報文分析設備本地緩存臨時密鑰，當采集到數(shù)據(jù)后，先依據(jù)時間與鏈路從本地查詢密鑰，若未找到，則再向臨時密鑰管理中心請求最新密鑰。臨時密鑰緩存中保存有推送密鑰和請求密鑰。

②GOOSE/SMV簽名認證

GOOSE/SMV可采用非對稱（如RSA）和HMAC兩種方式進行簽名認證，但由于硬件限制，非對稱簽名認證實時性不能滿足要求。將來若實時性滿足要求，可采取MMS關聯(lián)認證離線分析方式。HMAC認證簽名方式使用共享密鑰，可采取提供接口及加密的共享密鑰打包提供給報文分析設備，報文分析設備通過接口來驗證簽名而不能直接訪問密鑰。

2.5 嵌入式安全增強算法性能分析

采用SSL/TLS開源算法，并針對嵌入式系統(tǒng)RP1001（CPU 為 mpc8321，主頻 333 MHz，內存 256 MB）對 MMS 進行規(guī)約安全定制開發(fā)，改造后提供MMS應用層的關聯(lián)認證接口 （簽名和身份認證）以及傳輸層TLS加密隧道功能。MMS關聯(lián)的認證只在關聯(lián)時判別，對運行中的性能沒有影響。表1為規(guī)約改造前后的讀取動態(tài)數(shù)據(jù)測試的3組結果。

表1 MMS傳輸層改造前后時延分析

從表1中可以看出，接收接口的耗時增加很多，單裝置運行中主要用到發(fā)送報告服務，不會召喚動態(tài)模型，且MMS通信在系統(tǒng)中是相對慢速任務，因此MMS的安全改造對裝置的運行總體影響不大，特別是對發(fā)送的影響，但對于接收，還需要繼續(xù)優(yōu)化處理，減少接收時延。

采用PolarSSL開源算法[24]，在嵌入式PowerPC系統(tǒng)中對 RSA、HMAC、SHA-1和 SHA-256進行改進，以滿足GOOSE/SMV簽名使用。表2和表3為使用SHA-1和SHA-256做摘要的RSA，HMAC算法在RP1202板（GOOSE和 SMV發(fā)送，中斷周期為 833 μs）和 RP1204板（SMV接收，中斷周期為250 μs）中的測試時間均值。

從表2、表3中可知，RSA算法為毫秒級，明顯不能滿足實時要求（時間遠遠超過一個中斷）。對于HMAC算法，時間在幾十微秒至一百多微秒。

對于GOOSE報文，一般使用3～4個控制塊，標準情況下發(fā)送約為 200 μs，接收約為 150 μs，產生耗時 200 μs，加上簽名時間，未達到833 μs的中斷周期，能夠滿足要求。

表2 HMAC算法

表3 RSA算法

對于SMV報文，標準報文處理大約需要120 μs，833 μs中斷周期的RP1202板時，HMAC-SHA256能夠滿足要求，但250 μs中斷周期的RP1204板時，若采用HMAC-SHA256時，將有可能產生分組丟失現(xiàn)象。因為HMAC-SHA256情況下簽名需要 128 μs時，時間相加后在 230 μs（128 μs+120 μs），接近 250 μs。而 128 μs給定的是平均時間，在峰值時將會導致丟幀。

3 結束語

本文通過參考IEC62351標準，并與實際變電站設備相結合，研究變電站MMS規(guī)約的關聯(lián)認證以及關聯(lián)防重放攻擊和為傳輸層構建加密隧道、GOOSE/SMV規(guī)約的簽名認證和防重放攻擊、站內密鑰分配和加密報文在線或離線分析方法。從報文的完整性、機密性、不可抵賴性和防重放安全特性上，對變電站規(guī)約進行安全防護，增強變電站內部規(guī)約通信安全。同時，探討并驗證對實時性要求非常高的GOOSE/SMV報文簽名認證在現(xiàn)有條件下可采用的簽名算法。

本文的研究成果雖然在安全算法、嵌入式硬件以及性能分析的選擇不夠全面，但研究成果在實驗條件和試點環(huán)境已具備基本的變電站安全功能，可為變電站安全工程實踐推進做參考。要實踐變電站安全的工程應用，還需要很長的路要走。變電站二次系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是基本條件，要想將變電站安全工程應用化，基本前提就是安全功能在實時性上不能影響業(yè)務的運行。目前的變電站規(guī)約安全研究與應用，在算法和穩(wěn)定性上不能完全滿足工程應用要求。為了能夠落地變電站規(guī)約安全應用，有必要對規(guī)約安全功能進行優(yōu)化，減少安全功能帶來的時間影響；有必要深入研究嵌入式系統(tǒng)密鑰如何分配及管理；同時，嵌入式系統(tǒng)硬件性能的提升也將大大推進變電站規(guī)約的安全應用。

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