基于Rijndael加密算法的多功能智能云鎖系統(tǒng)研究

郭增為， 汝 杰， 蔡海兵， 韓萬里

(1. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司 阜陽供電公司, 阜陽 236017； 2. 上海精鼎電力科技有限公司 開發(fā)部, 上海 200080； 3. 上海電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院, 上海 200090)

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的逐步擴(kuò)大和深入，城區(qū)配網(wǎng)規(guī)模也呈逐年上升的趨勢(shì)，所需計(jì)量設(shè)備越來越多。同時(shí)隨著諸如暗線竊電、回路控制等新的偷竊電手段的出現(xiàn)，使得供電公司很難對(duì)相關(guān)竊電行為進(jìn)行查處和取證[1-4]。目前國內(nèi)外關(guān)于電力計(jì)量防竊電技術(shù)方面的研究主要朝兩個(gè)方向發(fā)展，一是對(duì)箱門開啟的環(huán)節(jié)加強(qiáng)管理，二是通過記錄輸出的實(shí)際用電量來對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而達(dá)到防竊電的目的。

針對(duì)箱體的安全管理，目前有3種解決方案：① 基于智能電子鎖具電能計(jì)量箱監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案[5]；② 采用計(jì)量箱門智能鎖具和反竊電偵測(cè)儀組成一種反竊電智能鎖具，在智能鎖具上設(shè)置微型CPU、微型智能集成線路、無線電子封印和微型重力傳感器，在反竊電偵測(cè)儀上設(shè)置2.4 G芯片和發(fā)射板，以及無線電子封印內(nèi)置RFID芯片等。③ 使用一種智能防盜型電能計(jì)量箱的防盜鎖，包括明掛鎖、磁性開關(guān)、檢測(cè)器和遠(yuǎn)程報(bào)警裝置。國內(nèi)基本上采用箱柜自帶內(nèi)置鎖和普通掛鎖用于計(jì)量箱柜的防護(hù)，但這些鎖具很容易破損和生銹，且鑰匙容易被復(fù)制，安全隱患較大。由于運(yùn)維任務(wù)重，運(yùn)維人員多、轄區(qū)經(jīng)理管控區(qū)域大，不可能對(duì)所有的計(jì)量設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的安全監(jiān)控。

為解決以上問題，本文從計(jì)量箱、表箱的鎖具入手，研究一套基于Rijndael加密算法的多功能智能云鎖系統(tǒng)，該多功能智能云鎖系統(tǒng)既能監(jiān)控鎖具狀態(tài)又能通過權(quán)限管理的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程管控計(jì)量設(shè)備，使運(yùn)維人員能夠遠(yuǎn)程通過智能鑰匙裝置進(jìn)行無線授權(quán)開鎖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力計(jì)量設(shè)備的安全性和信息化管理。

1 智能云鎖系統(tǒng)

智能云鎖系統(tǒng)主要分為智能云鎖硬件模塊、手持移動(dòng)終端模塊和遠(yuǎn)程管理平臺(tái)模塊等部分[6-7]。智能云鎖硬件模塊包括電磁鎖單元、核心控制器單元、驅(qū)動(dòng)單元、通信單元、供電單元、報(bào)警單元和應(yīng)急單元；手持移動(dòng)終端模塊：包括終端主界面單元、注冊(cè)界面單元和登錄界面單元；遠(yuǎn)程管理平臺(tái)模塊：包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器單元和WEB服務(wù)器單元。

(1) 智能云鎖硬件模塊。智能云鎖硬件模塊中核心控制器單元控制其周圍所有的硬件單元，當(dāng)手持移動(dòng)終端模塊或者遠(yuǎn)程管理平臺(tái)模塊發(fā)送指令至智能云鎖硬件模塊時(shí)，首先由通信單元進(jìn)行接收，經(jīng)串口將指令傳輸至核心控制器單元中，對(duì)指令進(jìn)行相應(yīng)的解析后，傳輸至驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行電磁鎖的開閉操作。

(2) 手持移動(dòng)終端模塊。手持移動(dòng)終端模塊本質(zhì)是以Android為操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，只有正常授權(quán)時(shí)間范圍、正常授權(quán)順序、正常授權(quán)地理位置的鎖具才能被打開，同時(shí)也可通過手機(jī)APP授權(quán)鑰匙給其他人員，設(shè)定授權(quán)時(shí)間段，授權(quán)到期鑰匙分享自動(dòng)關(guān)閉，也可以隨時(shí)撤回鑰匙使用權(quán)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)遠(yuǎn)程交互功能。

(3) 遠(yuǎn)程管理平臺(tái)模塊。遠(yuǎn)程管理平臺(tái)模塊是整個(gè)多功能智能云鎖的控制中樞，完成智能云鎖硬件模塊和手持移動(dòng)終端模塊之間的連接和轉(zhuǎn)發(fā)功能，其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 多功能智能云鎖系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 基于Rijndael密鑰加密算法

目前流行的加密算法有Rijndael密鑰加密算法、數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(Data Encryption Standard, DES)密鑰加密算法和橢圓曲線密碼編碼學(xué)(Elliptic Carves Crypto-graphy, ECC)密鑰加密算法[8-14]。ECC密鑰加密算法是一種非對(duì)稱加密算法，其優(yōu)點(diǎn)具有較高的安全等級(jí)，缺點(diǎn)是CPU消耗嚴(yán)重，加密和解密操作的運(yùn)算速度較慢；DES密鑰加密算法是一種分組密碼，其優(yōu)點(diǎn)是具有較快的運(yùn)行速度，缺點(diǎn)是安全性較低，且資源消耗較大；而Rijndael密鑰加密算法是對(duì)稱密鑰加密中最流行的一種密鑰加密算法，其非線性層的運(yùn)算和線性混合層的運(yùn)算均采用矩陣運(yùn)算，具有很高的運(yùn)行速度，且具有算法簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)、安全性能高以及抗攻擊能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

Rijndael密鑰加密算法密鑰長度(K)和加密分組長度(G)均可取128、192和256 bit，屬于一種迭代分組算法。主要包括字節(jié)替代變換、行位移變換、列混合變換和輪密鑰加密等4個(gè)部分。

(1) 字節(jié)替代變換。字節(jié)替代變換本質(zhì)上是一種包含在狀態(tài)上的S盒非線性變換，S盒運(yùn)算由仿射運(yùn)算和去逆運(yùn)算兩個(gè)獨(dú)立操作組成，對(duì)各個(gè)狀態(tài)的字節(jié)進(jìn)行有限域GF(28)到有限域GF(28)的映射運(yùn)算。

(2) 行位移變換。行位移變換是對(duì)狀態(tài)的最后3行進(jìn)行位移量的行循環(huán)，具體的行位移狀態(tài)循環(huán)位移方案如表1所示。

表1 行位移狀態(tài)循環(huán)位移

Ai(i=0，1，2，3，4)表示第i行循環(huán)左移Ai個(gè)字節(jié)

(3) 列混合變換。列混合變換將狀態(tài)中的每一列看做是域中的多項(xiàng)式，采用系數(shù)在GF(28)的多項(xiàng)式與一個(gè)固定多項(xiàng)式c(x)=’03’x3+’01’x2+’01’x+’02’相乘，將相乘的結(jié)果進(jìn)行模x4+1運(yùn)算得到列混合變換結(jié)果。

(4) 輪密鑰加密。輪密鑰加密將狀態(tài)中的各個(gè)字節(jié)與輪密鑰的相應(yīng)字節(jié)進(jìn)行有限域的逐位異或運(yùn)算，每一輪的密鑰從主密鑰生成，并且生成的密鑰長度等于分組的長度。具體關(guān)系如表2所示。

表2 加密輪數(shù)與密鑰長度、分組長度的關(guān)系

圖2所示為Rijndael密鑰加密算法流程。首先對(duì)明文進(jìn)行密鑰的擴(kuò)展和輪密鑰加密處理，后分別采用字節(jié)替代變換、行位移變換、列混合變換和輪密鑰加密等一系列加密處理后，對(duì)處理后的密鑰進(jìn)行判斷是否達(dá)到所規(guī)定的輪次，若未達(dá)到規(guī)定的輪次，則返回字節(jié)替代變換重新進(jìn)行一系列加密處理，直至達(dá)到所規(guī)定的輪次，最后經(jīng)字節(jié)替代變換、行位移變換和輪密鑰加密后，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)明文的加密處理，得到加密后的密文。該加密算法不僅具有編碼緊湊、速度快和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，更能抵抗差分攻擊、線性攻擊等攻擊方式，可以滿足各種不同場(chǎng)景的需求。

圖2 Rijndael密鑰加密算法流程

3 多功能智能云鎖系統(tǒng)的應(yīng)用

多功能智能云鎖系統(tǒng)的主要功能包括鑰匙分享功能、開鎖記錄功能、開鎖定位功能、資產(chǎn)管理功能和巡檢維護(hù)功能[15-17]。不僅解決了傳統(tǒng)意義上電力鎖安全性較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等問題，更有效提高了計(jì)量箱柜電力鎖的安全性。

(1) 鑰匙分享。出差或休假不在單位，多功能智能云鎖系統(tǒng)可通過手機(jī)APP授權(quán)鑰匙給其他人員，設(shè)定授權(quán)時(shí)間段，授權(quán)到期鑰匙分享自動(dòng)關(guān)閉，也可以隨時(shí)撤回鑰匙使用權(quán)，其界面如圖3所示。

圖3 鑰匙分享

(2) 開鎖記錄。多功能智能云鎖系統(tǒng)可以直觀的實(shí)現(xiàn)查看設(shè)備開鎖時(shí)間、開鎖人、開鎖情況、開鎖位置，方便進(jìn)行設(shè)備和鎖具的使用情況跟蹤和統(tǒng)計(jì)分析，具體記錄如圖4所示。

圖4 開鎖記錄

(3) 開鎖定位。多功能智能云鎖系統(tǒng)可以根據(jù)手機(jī)定位和每把鎖安裝的位置，對(duì)每個(gè)人所管理的鎖進(jìn)行距離排序，并能實(shí)時(shí)查看每把鎖的位置，定位每次開鎖人、時(shí)間、位置、有效提高了“防竊電能力”、減少授權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 資產(chǎn)管理。多功能智能云鎖系統(tǒng)對(duì)智能鎖防護(hù)的設(shè)備資產(chǎn)進(jìn)行全生命周期管理，手動(dòng)錄入或掃碼入庫、資產(chǎn)運(yùn)行、保養(yǎng)、維護(hù)、報(bào)廢全程監(jiān)控，有效識(shí)別配電設(shè)備資產(chǎn)位置變化、把握資產(chǎn)動(dòng)態(tài)，并能和第三方資產(chǎn)管理系統(tǒng)對(duì)接，使資產(chǎn)管理制度化、流程化、智能化，極大提高了資產(chǎn)管理水平。

(5) 巡檢維護(hù)。多功能智能云鎖系統(tǒng)可以減少工作人員攜帶實(shí)體鑰匙的數(shù)量，杜絕忘帶鑰匙的情況，為工作人員減負(fù)，對(duì)配電臺(tái)區(qū)設(shè)備開鎖滿足工作票、操作票流程，根據(jù)工作票進(jìn)行開鎖碼授權(quán)，開鎖順序先低壓側(cè)鎖，后高壓側(cè)鎖，有效預(yù)防配電設(shè)備誤操作、提升配電設(shè)備安全管理水平，具體如圖5所示。

圖5 巡檢維護(hù)

4 結(jié) 論

該多功能智能云鎖系統(tǒng)可在國網(wǎng)安徽阜陽供電公司營銷部管轄的計(jì)量箱、表箱等地方實(shí)施應(yīng)用，運(yùn)維人員、轄區(qū)經(jīng)理通過智能鑰匙，遠(yuǎn)程授權(quán)管理的方式對(duì)計(jì)量箱、表箱等的鎖具進(jìn)行遠(yuǎn)程管控，鎖具管理全覆蓋，可進(jìn)行無源驗(yàn)電，能對(duì)系統(tǒng)各種鎖具進(jìn)行管理。有效解決越權(quán)進(jìn)入和越權(quán)操作的問題，為加強(qiáng)對(duì)計(jì)量箱、表箱的操作、安全管理，提高工作效率，防止竊電行為的發(fā)生，提供一種有效的技術(shù)手段。