基于量子密鑰的電力業(yè)務(wù)最優(yōu)數(shù)據(jù)保護(hù)模型

陳智雨, 高德荃, 王 棟, 李國春, 葛冰玉, 趙子巖

(1. 國家電網(wǎng)有限公司信息通信分公司, 北京市 100761; 2. 國家電網(wǎng)有限公司電力信息通信系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)實驗室, 北京市 100761)

0 引言

隨著國際安全形勢日趨嚴(yán)峻及全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的逐步實施,“源—網(wǎng)—荷—儲”互動日益頻繁,電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境更加復(fù)雜。電力網(wǎng)絡(luò)作為國家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施,是社會運(yùn)行的神經(jīng)中樞之一,很容易成為重點(diǎn)攻擊目標(biāo),面臨較大的安全隱患,是網(wǎng)絡(luò)安全的重中之重。電力生產(chǎn)及企業(yè)經(jīng)營管理業(yè)務(wù)涉及大量敏感信息,系統(tǒng)運(yùn)行和控制指令通過電力專網(wǎng)進(jìn)行交互,安全等級和實時性要求很高。隨著信息通信技術(shù)的不斷發(fā)展,“物理隔離”防線可被跨網(wǎng)入侵,可能出現(xiàn)電力調(diào)配指令被惡意篡改和用戶信息被竊取,進(jìn)而導(dǎo)致電力癱瘓和重要信息泄漏等問題,具有很大的破壞性和殺傷力。因此,網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)的研究成為保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要課題之一[1]。

中國高度重視量子保密通信技術(shù)研發(fā)工作,已將該技術(shù)納入“十三五”規(guī)劃。同時,“量子調(diào)控與量子信息”被科技部列入國家重點(diǎn)研發(fā)計劃中9個重點(diǎn)專項之一。量子保密通信能夠解決傳統(tǒng)通信加密算法易被破解和傳輸過程易被監(jiān)聽的難題,有必要開展量子保密通信技術(shù)實用化研究及應(yīng)用驗證,強(qiáng)化和提升電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩訹2-3]。能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展促使電力行業(yè)從傳統(tǒng)發(fā)展模式到全新的信息化發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變,其過程中存在三個主要風(fēng)險:①電力特高壓網(wǎng)架逐步完善,各種電源通道的高速建設(shè),柔性負(fù)荷逐步接入,大電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的安全風(fēng)險與日俱增;②“互聯(lián)網(wǎng)+”新型業(yè)務(wù)模式不斷涌現(xiàn),信息內(nèi)/外網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)互動更加緊密,網(wǎng)絡(luò)安全面臨嚴(yán)峻威脅;③計算機(jī)性能大幅提升,密碼暴力破解能力增強(qiáng),基于保密算法的傳統(tǒng)安全機(jī)制面臨巨大的風(fēng)險。隨著《中華人民共和國網(wǎng)絡(luò)安全法》的實施和《中華人民共和國密碼法》草案的公布,量子保密通信作為網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)鍵技術(shù),量子密碼對關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的安全保護(hù)將更具有基礎(chǔ)性作用,勢必將為各行業(yè)信息安全的建設(shè)提供更加強(qiáng)大的力量[4]。量子保密通信技術(shù)是量子力學(xué)與經(jīng)典通信相結(jié)合,可有效保障信息傳輸?shù)陌踩?。量子保密通信已在多個領(lǐng)域建設(shè)了示范應(yīng)用,典型項目有蕪湖量子政務(wù)網(wǎng)、合肥量子城域網(wǎng)、“京滬干線”量子保密通信網(wǎng)以及北京電力量子保密通信網(wǎng)等[5-6]。

由于現(xiàn)有量子密鑰分配(quantum key distribution,QKD)設(shè)備產(chǎn)生的量子密鑰資源量有限,且受環(huán)境因素(風(fēng)、雨、雪及電磁干擾)影響較大,難以保證全電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)一次一密的加密傳輸,且傳統(tǒng)量子虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)無法實現(xiàn)電力業(yè)務(wù)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)保護(hù),影響量子密鑰的應(yīng)用效率,主要體現(xiàn)為:①傳統(tǒng)量子VPN沒有考慮各業(yè)務(wù)屬性的差異,采用時分機(jī)制對各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用相同的加密方式,不利于電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全等級保護(hù);②傳統(tǒng)量子VPN是以定時追加的方式向QKD設(shè)備請求密鑰,未考慮因報文流量變化可能導(dǎo)致的密鑰需求量增加或減小,進(jìn)而出現(xiàn)量子VPN密鑰緩沖池中的密鑰資源不足或因補(bǔ)充過渡導(dǎo)致資源浪費(fèi)。

從電力業(yè)務(wù)運(yùn)行角度出發(fā),提出基于電力業(yè)務(wù)屬性的量子VPN密鑰應(yīng)用最優(yōu)化策略,實現(xiàn)電力量子VPN精準(zhǔn)數(shù)據(jù)保護(hù)的目標(biāo),從而促進(jìn)電網(wǎng)運(yùn)營穩(wěn)定性和信息安全等級的提升。

1 量子VPN技術(shù)

VPN是一種在公共網(wǎng)絡(luò)上利用隧道技術(shù)建立專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行加密通信的方式,按協(xié)議主要分為點(diǎn)對點(diǎn)隧道協(xié)議(PPTP)、第二層通道通信協(xié)議(L2TP)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議安全性(IPSec)。IPSec協(xié)議工作在開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型的第三層,具有很好的魯棒性和高效性,被廣泛用于電力信息通信網(wǎng)絡(luò)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。網(wǎng)絡(luò)密鑰交換協(xié)議(IKE)是IPSec VPN中一種公認(rèn)的安全密鑰協(xié)商方法。由于IKE是基于離散對數(shù)計算復(fù)雜性問題的協(xié)議,并不是理論上的無條件安全。隨著計算機(jī)處理能力的不斷提升,依賴計算復(fù)雜度的加密技術(shù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[7-9]。

量子保密通信技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用,極大提升了數(shù)據(jù)被破解的復(fù)雜度,任何竊聽操作都會對量子態(tài)產(chǎn)生干擾,導(dǎo)致密鑰分發(fā)誤碼率增加,很容易發(fā)現(xiàn)竊聽行為,保障了數(shù)據(jù)安全傳輸[5]。量子保密通信以量子密鑰分發(fā)技術(shù)為基礎(chǔ),雙方遵循通信協(xié)議實現(xiàn)無條件安全的密鑰分發(fā)。BB84協(xié)議是最早提出的量子保密通信協(xié)議,是其他協(xié)議(B92協(xié)議和六態(tài)協(xié)議等)的基礎(chǔ)且最接近實用化?，F(xiàn)有主流的QKD設(shè)備有基于偏振和基于相位兩種編碼制式。附錄A表A1描述了基于偏振制式的量子密鑰形成過程。偏振式系統(tǒng)使用光子的水平/垂直和±45°四個偏振態(tài)來實現(xiàn)編碼,并將密鑰分發(fā)給信息的收發(fā)雙方。發(fā)送者和接收者可以簡單地選取90°的測量方式,即“+”;或45°的測量方式,即“×”,來測量光子狀態(tài)[6]。

數(shù)據(jù)被破解的復(fù)雜度關(guān)鍵因素有:密鑰位數(shù)、密鑰的隨機(jī)性和加密算法的復(fù)雜性。破解時間表示為:

(1)

式中：O為破解復(fù)雜度;n為密鑰位數(shù);C為運(yùn)算能力。

破解復(fù)雜度隨著密鑰位數(shù)的增加呈指數(shù)增長。傳統(tǒng)量子VPN支持SM4加密算法,密鑰更新周期可達(dá)16次/s。以目前運(yùn)算最快的計算機(jī)“太湖之光”為例(運(yùn)算能力超過243次/s),在2 kbit/s量子密鑰的獲取頻率下,加密數(shù)據(jù)破解復(fù)雜度約為68×1024年[10-11]。

量子VPN是量子加密與傳統(tǒng)VPN的融合,可完美實現(xiàn)動態(tài)口令(OTP)通信[12-13]。圖1展示了量子VPN的工作結(jié)構(gòu),與IPSec VPN基本框架一致,密鑰策略控制器可調(diào)節(jié)密鑰選擇方式和密鑰更新頻率等參數(shù)。量子密鑰交互管理器從QKD設(shè)備獲取密鑰存儲在密鑰緩沖池,用于替換IKE模式中相應(yīng)的密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。當(dāng)量子密鑰獲取異常,量子VPN進(jìn)行切換操作,使用IKE密鑰加密[14]。

圖1 量子VPN工作框架Fig.1 Quantum VPN working framework

傳統(tǒng)量子VPN周期性從QKD設(shè)備獲取定量密鑰緩存,采用時分方式進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。在量子密鑰資源量受限的情況下,傳統(tǒng)量子VPN沒有考慮電力業(yè)務(wù)屬性的差異,無法按照數(shù)據(jù)安全等級保護(hù)的需求對密鑰進(jìn)行精準(zhǔn)化分配和補(bǔ)充[15]。因此,對量子VPN中密鑰的補(bǔ)充策略和應(yīng)用策略進(jìn)行了優(yōu)化及設(shè)計。

2 基于電力業(yè)務(wù)屬性的量子密鑰應(yīng)用策略

圖2展示了量子VPN在電力行業(yè)應(yīng)用的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖,典型應(yīng)用場景如下。

1)生產(chǎn)調(diào)度:調(diào)度指令下達(dá)、配電網(wǎng)自動化等。

2)電力營銷:營銷支付、用電信息采集等。

3)管理信息化:協(xié)同辦公、數(shù)據(jù)容災(zāi)等。

圖2 基于量子VPN的電力保密通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Network structure power secret communication based on quantum VPN

由于電力業(yè)務(wù)功能的多樣性,本節(jié)從業(yè)務(wù)屬性的特征出發(fā),結(jié)合實時量子密鑰量資源、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度和業(yè)務(wù)報文流量等因素分析,構(gòu)建自適應(yīng)電力業(yè)務(wù)重要度和報文流量的密鑰應(yīng)用模型,以提高量子密鑰的使用效率。從數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度和報文流量兩方面建立精準(zhǔn)化量子密鑰應(yīng)用模型。

2.1 電力業(yè)務(wù)屬性量化模型

電力業(yè)務(wù)屬性定義為某業(yè)務(wù)在線運(yùn)營過程中的規(guī)定特性,不同的業(yè)務(wù)具有不同的在線屬性。電力業(yè)務(wù)屬性包括業(yè)務(wù)傳輸優(yōu)先級、數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度、傳輸實時性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等性質(zhì)。由于數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要級別程度代表不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全保障需求級別,建議基于數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度從精準(zhǔn)數(shù)據(jù)保護(hù)的角度構(gòu)建量子密鑰應(yīng)用策略。數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度可以通過對各電力業(yè)務(wù)的差異性進(jìn)行分析,建立風(fēng)險評估模型來將數(shù)據(jù)資產(chǎn)的重要度進(jìn)行量化。風(fēng)險描述了實際結(jié)果與預(yù)期結(jié)果之間偏離的程度,是異常情況發(fā)生的可能性和后果的組合。風(fēng)險的量度函數(shù)R(x)被定義為:

R(x)=f(p,q)

(2)

式中:x為風(fēng)險;p為異常事件發(fā)生的概率;q為異常事件發(fā)生產(chǎn)生的后果。

首先確定能直接導(dǎo)致風(fēng)險產(chǎn)生的因素,然后構(gòu)建模型進(jìn)行一體化評估,得出風(fēng)險量度指標(biāo),進(jìn)而確定異常事件的影響程度,最后通過影響程度判斷系統(tǒng)存在的風(fēng)險大小。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度是風(fēng)險度的一個重要體現(xiàn)。電力業(yè)務(wù)風(fēng)險度R的計算可以表示為:

R=DP

(3)

式中:D為數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度;P為故障發(fā)生概率[16]。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度作為評估業(yè)務(wù)風(fēng)險度的重要指標(biāo)之一,是評估電力業(yè)務(wù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行受影響的程度。將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度取值范圍設(shè)為(0,10],根據(jù)實際分析獲取到各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度如表1所示,給密鑰應(yīng)用策略的設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。此外,數(shù)據(jù)傳輸時延和帶寬等通信指標(biāo)也是電力業(yè)務(wù)的兩個重要屬性。附錄A表A2和表A3分別展示了電力業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)時延要求和帶寬容量,根據(jù)屬性不同可提升細(xì)化密鑰應(yīng)用策略的設(shè)計需求[17-18]。

2.2 電力量子密鑰應(yīng)用策略

通過對傳統(tǒng)量子VPN工作機(jī)制分析,量子密鑰應(yīng)用策略的設(shè)計主要集中在兩個環(huán)節(jié):①設(shè)計根據(jù)不同的電力業(yè)務(wù)屬性采用不同的密鑰應(yīng)用策略;②設(shè)計基于業(yè)務(wù)報文流量的量子密鑰補(bǔ)充機(jī)制。

2.2.1基于業(yè)務(wù)屬性的量子密鑰應(yīng)用策略

表1 電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度Table 1 Importance of power business data asset

由于各電力業(yè)務(wù)屬性的差異性,各業(yè)務(wù)有著不同的加密需求和安全要求。傳統(tǒng)量子VPN在數(shù)據(jù)加密時,無法根據(jù)業(yè)務(wù)屬性自適應(yīng)調(diào)整密鑰應(yīng)用策略?？紤]到電力運(yùn)營環(huán)境的復(fù)雜性對量子密鑰成碼率的影響,本節(jié)結(jié)合實時量子密鑰資源量和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度,對各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密進(jìn)行優(yōu)先級排序,并制定合適的量子密鑰應(yīng)用策略,提高量子VPN的保密性能。

圖3展示了量子密鑰應(yīng)用策略優(yōu)化的流程。主要流程如下。

1)首先獲取實時密鑰資源量和傳輸?shù)母鳂I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度。

2)其次依據(jù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度計算各業(yè)務(wù)密鑰的更新頻率。

3)然后根據(jù)傳輸情況判斷是否更新頻率。

為進(jìn)一步提升業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全保障能力,建議采用資產(chǎn)重要度為計算因子,給重要度高的業(yè)務(wù)分配較多的密鑰資源量,提高密鑰更新頻率進(jìn)而提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

假設(shè)S和f分別表示量子VPN中實時密鑰資源量和密鑰更新頻率。將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度Di作為量子密鑰分配的計算權(quán)重,建議對數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度高的業(yè)務(wù)分配較多的密鑰資源量。因此,n項業(yè)務(wù)分配的密鑰量可以表示為:

(4)

圖3 量子密鑰應(yīng)用策略優(yōu)化Fig.3 Optimization of quantum key application strategy

傳統(tǒng)量子VPN采用均分式密鑰分配,給各業(yè)務(wù)分配的密鑰量為Q=S/n,更新頻率為I。將傳統(tǒng)的密鑰分配方式作為參考,提出采用密鑰分配比反映不同分配方式的密鑰分配差異程度。結(jié)合提出方法的密鑰分配方式,可以得出密鑰分配比為:

(5)

以傳統(tǒng)密鑰的更新頻率為參考,密鑰分配比可以作為調(diào)節(jié)參數(shù)用來調(diào)節(jié)密鑰更新頻率的快慢。對密鑰資源分配多的業(yè)務(wù),提高密鑰的更新頻率以增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴τ诿荑€資源分配少的業(yè)務(wù),降低其密鑰更新頻率。聯(lián)合兩種方式的密鑰分配比,提出方法中各業(yè)務(wù)量子密鑰的更新頻率為:

(6)

附錄A圖A1展示了提出的量子密鑰更新頻率優(yōu)化方法的框架圖。每個模塊的具體功能如下。

1)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)讀取模塊:讀取待加密傳輸?shù)母鳂I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

2)性能參數(shù)訪問接口模塊:獲取量子VPN密鑰緩沖池中的實時量子密鑰資源量。

3)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)等級配置模塊:根據(jù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全等級庫,判別當(dāng)前傳輸各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度。

4)量子密鑰最優(yōu)更新頻率計算模塊:結(jié)合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要等級、量子密鑰資源量和參考密鑰更新頻率計算傳輸各業(yè)務(wù)的最優(yōu)密鑰更新頻率。

5)密鑰更新頻率配置模塊:配置量子VPN中各業(yè)務(wù)的量子密鑰最優(yōu)更新頻率。

通過對各項業(yè)務(wù)屬性進(jìn)行分析,根據(jù)各業(yè)務(wù)加密需求進(jìn)行密鑰分配,最后實現(xiàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)加解密。根據(jù)一個時間段內(nèi)各業(yè)務(wù)報文流量和密鑰消耗量可以計算出量子VPN中該時間段內(nèi)的總報文流量和總消耗密鑰量,為量子密鑰補(bǔ)充策略的設(shè)計提供參考依據(jù)。

2.2.2基于業(yè)務(wù)報文流量的量子密鑰補(bǔ)充策略

傳統(tǒng)量子VPN從QKD設(shè)備獲取密鑰時,獲取時間需要提前設(shè)定,并以密鑰數(shù)據(jù)追加的方式補(bǔ)充,可能出現(xiàn)密鑰量補(bǔ)充不足或補(bǔ)充過度而覆蓋已有的密鑰,難以自適應(yīng)加密需求的變化,影響保密系統(tǒng)的應(yīng)用效率和安全性。提出聯(lián)合業(yè)務(wù)報文流量、數(shù)據(jù)加密消耗的密鑰資源量以及剩余密鑰資源量是否足夠支持后續(xù)數(shù)據(jù)加密等因素,設(shè)計具有動態(tài)適應(yīng)性的量子密鑰補(bǔ)充策略。在實際運(yùn)營環(huán)境中,量子VPN各隧道報文流量不一樣,且可使用不同的加密策略,都會影響各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密消耗的密鑰量。通過分析報文流量與密鑰消耗量之間的關(guān)系,提出基于報文流量的量子密鑰補(bǔ)充方案用以解決傳統(tǒng)量子VPN采用定時補(bǔ)充密鑰方式的不足。對于量子VPN設(shè)備中密鑰緩沖池的密鑰,根據(jù)報文流量與密鑰消耗量的關(guān)系可以預(yù)判剩余密鑰資源量的消耗趨勢,進(jìn)而采取相應(yīng)的補(bǔ)充策略。

圖4描述了量子VPN自適應(yīng)報文流量的量子密鑰補(bǔ)充策略。首先獲取當(dāng)前的總報文流量、實時密鑰量和量子密鑰補(bǔ)充頻率;然后根據(jù)三個因素計算量子VPN的最優(yōu)補(bǔ)充參數(shù),并檢測原有補(bǔ)充參數(shù)和最優(yōu)補(bǔ)充參數(shù)是否一致;最后根據(jù)結(jié)果,判斷是否需要調(diào)整密鑰補(bǔ)充參數(shù)。

圖4 量子VPN密鑰補(bǔ)充策略Fig.4 Key replenishment strategy in quantum VPN

量子密鑰補(bǔ)充模塊根據(jù)前一個時間段t內(nèi)的傳輸情況可以獲悉,在時間段t內(nèi)待加密業(yè)務(wù)B1傳輸?shù)膱笪牧棵枋鰹閃t,消耗的密鑰量為Kt=S-St。根據(jù)實際傳輸狀況分析,確定報文傳輸量的大小閾值T。當(dāng)Wt>T時,密鑰補(bǔ)充模塊依據(jù)Kt檢查實時量子密鑰資源量St是否足夠支持接下來m個時間段t內(nèi)的數(shù)據(jù)加密。如果密鑰量充足,則不進(jìn)行密鑰補(bǔ)充操作。如果不足以支持,則量子VPN從QKD設(shè)備獲取密鑰,補(bǔ)充的量子密鑰資源量Q為:

Q=mKt-St

(7)

3 實驗結(jié)果

為驗證提出方法的有效性,本實驗的測試環(huán)境基于實際生產(chǎn)業(yè)務(wù)搭建。本次驗證選擇調(diào)度自動化、數(shù)據(jù)容災(zāi)和用電信息采集三項業(yè)務(wù),各業(yè)務(wù)帶寬分別為2 Mbit/s,155 Mbit/s和2 Mbit/s。本次實驗中,傳統(tǒng)量子VPN的密鑰緩沖池容量為2 MB,采用SM4加密算法,密鑰更新頻率為16次/s,每次更新需要消耗128 bit密鑰。

假設(shè)業(yè)務(wù)通道滿載,量子VPN補(bǔ)充密鑰的間隔為30 min,每次獲取1 382 400 B的密鑰。由于傳統(tǒng)量子VPN中密鑰更新屬于追加式,在沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)加密的時候,每30 min就有1 382 400 B的密鑰因被覆蓋而浪費(fèi)。在每隔1 h補(bǔ)充密鑰的情況下,傳統(tǒng)量子VPN進(jìn)行3項業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密時,需要消耗的密鑰量為2 764 800 B。由于緩沖池容量為2 097 152 B (約2 MB),導(dǎo)致667 648 B密鑰缺口的產(chǎn)生,進(jìn)而需啟用IKE加密方式,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)保護(hù)安全級別的降低。同時,傳統(tǒng)的密鑰應(yīng)用方式需要對參數(shù)提前設(shè)定,難以將稀缺的量子密鑰資源高效應(yīng)用。三項電力業(yè)務(wù)的安全級別順序為調(diào)度自動化業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)容災(zāi)和用電信息采集,原有機(jī)制并沒有考慮到業(yè)務(wù)的重要度，采用了同等級的數(shù)據(jù)保護(hù)。

根據(jù)表2可以得知調(diào)度自動化、數(shù)據(jù)容災(zāi)和用電信息采集三項業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)重要度分別為5.98,5.58和2.14。實驗中,量子VPN傳輸三項業(yè)務(wù),傳統(tǒng)的密鑰更新頻率為16次/s,根據(jù)2.2.1節(jié)中式(4)至式(6)可以計算出優(yōu)化后的密鑰更新頻率。三項業(yè)務(wù)的最優(yōu)密鑰更新頻率分別為21次/s，20次/s和7次/s。通過對各業(yè)務(wù)密鑰更新頻率進(jìn)行調(diào)整,優(yōu)化后的密鑰更新頻率與資產(chǎn)重要度高成正比。按照不同業(yè)務(wù)的重要度對量子密鑰進(jìn)行分配,實現(xiàn)了精準(zhǔn)數(shù)據(jù)保護(hù),可避免量子密鑰資源量不足影響到重要數(shù)據(jù)的安全傳輸。

對量子VPN的密鑰消耗情況進(jìn)行整體考慮,進(jìn)而密鑰的補(bǔ)充策略只需考慮密鑰緩沖池中的密鑰使用情況和剩余情況。以三項業(yè)務(wù)平均16次/s的密鑰更新頻率為計算基礎(chǔ),2 MB的密鑰可以加密1 302 528 MB的數(shù)據(jù)量。為了保證密鑰補(bǔ)充策略的富余度,設(shè)定閾值為最大加密數(shù)據(jù)量的四分之一,T為325 632 MB。當(dāng)Wt>T時,根據(jù)2.2.2節(jié)中提出密鑰補(bǔ)充方案確認(rèn)是否補(bǔ)充。在傳輸數(shù)據(jù)量第一次達(dá)到閾值時,滿足制定策略沒有補(bǔ)充密鑰。為了提升系統(tǒng)密鑰補(bǔ)充操作的容錯度,建議在傳輸數(shù)據(jù)量第二次達(dá)到閾值時,剩余密鑰無法支撐下三個時間段的加密需求,系統(tǒng)自動通過密鑰交互管理器從量子密鑰資源池獲取524 288 B的密鑰補(bǔ)充到量子密鑰緩沖池。

附錄A圖A2所示,本次實驗采用常用的網(wǎng)絡(luò)回溯分析系統(tǒng)對基于提出方案的數(shù)據(jù)加密性能進(jìn)行測試,業(yè)務(wù)運(yùn)行時的平均帶寬利用率為20.1%～26.2%、錯誤率為0%、碰撞率小于0%、網(wǎng)絡(luò)延時為3.67～3.69 ms、丟包率為0%、量子密鑰成碼率為13.940～17.487,滿足電力通信的指標(biāo)需求。表2對比了提出方法與傳統(tǒng)方法的性能結(jié)果,優(yōu)化后的更新頻率提高了密鑰的應(yīng)用效率和數(shù)據(jù)保護(hù)的精準(zhǔn)能力。同時,優(yōu)化后的數(shù)據(jù)傳輸時延完全滿足業(yè)務(wù)穩(wěn)定傳輸?shù)男枨蟆?/p>

表2 實驗結(jié)果Table 2 Experiment results

通過對各電力業(yè)務(wù)的屬性需求分析,建立適用不同業(yè)務(wù)間的量子密鑰使用方案,形成有針對性的量子密鑰應(yīng)用策略,提高量子密鑰在應(yīng)用層面的效率。調(diào)度自動化可利用量子VPN對主網(wǎng)自動化生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸,保障信息安全下發(fā)和調(diào)度子站信息安全上傳,可實現(xiàn)低延遲高安全的指令傳輸;數(shù)據(jù)容災(zāi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的重要度較調(diào)度業(yè)務(wù)低,利用提出方法對用電用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸,可達(dá)到數(shù)據(jù)快速精準(zhǔn)的安全傳輸;用電信息采集的實時性跟安全性需求在三者中最低,提出方法可有效保證數(shù)據(jù)的安全性,并規(guī)避與前兩類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的沖突。

4 結(jié)語

介紹了量子VPN量子密鑰應(yīng)用的優(yōu)化模型及設(shè)計方案,提出了自適應(yīng)電力業(yè)務(wù)屬性的量子密鑰補(bǔ)充策略和量子密鑰分配策略,達(dá)到量子密鑰資源量的最佳分配。通過本研究,可實現(xiàn)基于電力業(yè)務(wù)屬性的量子密鑰應(yīng)用最優(yōu)化,實現(xiàn)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化加密,促進(jìn)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)運(yùn)行效率的提高。

電力企業(yè)數(shù)據(jù)傳輸安全性的保障是電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)營的重要指標(biāo)之一?；陔娏I(yè)務(wù)屬性的量子VPN密鑰應(yīng)用優(yōu)化模型提升了數(shù)據(jù)保護(hù)的精準(zhǔn)性和安全性,可以促進(jìn)電力信息通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)步發(fā)展。由于在生產(chǎn)調(diào)度、營銷、企業(yè)運(yùn)營管理等方面業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的保密等級和網(wǎng)絡(luò)性能的需求存在差異,如何優(yōu)化量子VPN密鑰應(yīng)用策略實現(xiàn)精準(zhǔn)化數(shù)據(jù)保護(hù)將成為一個提升電力信息通信網(wǎng)絡(luò)保密性能的重要課題,具有實際的應(yīng)用價值。只是從密鑰應(yīng)用的角度出發(fā),就量子密鑰的優(yōu)化應(yīng)用進(jìn)行了討論,暫未對數(shù)據(jù)加密的算法開展研究。加密算法的優(yōu)劣對數(shù)據(jù)保護(hù)的加密效率具有很大的影響。與電力調(diào)度業(yè)務(wù)擁有專用的加密算法相比,基于量子密鑰的適用于電力信息類業(yè)務(wù)的專用加密算法還處于起步階段。下一步,將開展加密算法設(shè)計的相關(guān)工作,進(jìn)一步提高電力量子VPN的數(shù)據(jù)保護(hù)性能。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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