電力多終端量子密鑰融合設(shè)計及驗證

夏少嫻，翟 峰，夏 信，王守志

(1.北京電科智芯科技有限公司，北京 100192； 2.中國電力科學研究院有限公司 計量研究所，北京 100192)

0 引 言

電力等重要基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域已成為“網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)”重點攻擊目標之一[1],在嚴峻復雜的網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全形勢下，量子安全保密通信技術(shù)應(yīng)運而生,其作為一種理論上無條件安全的密鑰分發(fā)方式，勢必掀起密碼技術(shù)發(fā)展的變革[2]。

目前電力系統(tǒng)中的量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution, QKD)系統(tǒng)通常是由點對點鏈路上的一對通過量子信道連接的設(shè)備組成[3]。量子保密終端的基礎(chǔ)是3層架構(gòu)，兩端QKD生成量子密鑰，并推送給量子密鑰管理 (Quantum Key Management, QKM) 設(shè)備，然后再將量子密鑰推送給對稱算法加密機，在兩站點間進行數(shù)據(jù)加密。本文結(jié)合電力系統(tǒng)應(yīng)用場景[4-6]，將量子保密通信技術(shù)與經(jīng)過深入研究的傳統(tǒng)技術(shù)和經(jīng)典設(shè)施相融合，創(chuàng)新應(yīng)用模式，開展多終端量子密鑰應(yīng)用研究，提出了一種基于量子保密通信技術(shù)的手持抄表解決方案，以保護電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全，提升系統(tǒng)整體安全防護能力。

1 電力量子密鑰融合

在電力系統(tǒng)經(jīng)典應(yīng)用架構(gòu)中，對稱和非對稱密鑰的使用是保證各項業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流安全傳輸?shù)闹匾疤帷檫M一步提高密鑰的利用率，多采用密鑰合成、分散和分級等方式來預(yù)防黑客攻擊。由QKD生成的量子密鑰基于Heisenberg測不準原理和不可克隆原理，若發(fā)現(xiàn)竊聽者的存在，則雙方均將此時段的二進制信息拋棄，最終得到可靠的對稱密鑰。電力量子密鑰融合即將量子密鑰與傳統(tǒng)非對稱密鑰相結(jié)合，一方面提高了密鑰的可靠性，簡化了密鑰的使用流程；另一方面保留了電力通用業(yè)務(wù)的使用，二者珠聯(lián)璧合，有效提升了電力系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)的整體安全性。

1.1 電力某多終端應(yīng)用場景概述

基于某費控體系的手持抄表終端安全單元作為主站和電表之間的紐帶，主要用來保證主站對電表任務(wù)數(shù)據(jù)和采集信息的安全性和可靠性。安全單元內(nèi)嵌兩顆安全芯片，根據(jù)應(yīng)用需求，芯片內(nèi)部存儲多條密鑰參與國密算法計算，一顆用于對操作員身份的鑒別，另一顆用于手持抄表終端的業(yè)務(wù)流程控制。

信息安全不僅要保證通信的安全，也要保證終端的安全[7]。如果終端安全可以做得很好，加上QKD[8]之后，就能夠非常全面和可靠地保證信息安全。

1.2 多終端量子密鑰應(yīng)用探究

在圖1所示的架構(gòu)中，應(yīng)用側(cè)手持終端、電能表和集中器均為內(nèi)嵌安全模塊的終端設(shè)備，主要包括電能表-主站、電能表-手持終端和手持終端-主站3種數(shù)據(jù)傳輸模式。結(jié)合圖1提出圖2所示的基于量子保密通信技術(shù)的手持抄表解決方案。紅色為主站與手持終端(或電表)之間的加密通信，紫色為手持終端和電表之間的加密通信。在量子密鑰推送后，主站和終端之間及各個終端之間都可以進行加密通信，終端不僅可以以密碼機(Hardware Security Module, HSM)的形式存在，也可以軟件開發(fā)工具包的形式存在。安全模塊中存儲的量子密鑰在進行“一次一密”通信過程中，在執(zhí)行每一次的業(yè)務(wù)操作時，對數(shù)據(jù)進行對稱加密運算均使用新密鑰進行處理，保證每一條密鑰僅使用一次，后期需要通過主站定期更新密鑰，對安全模塊密鑰進行充注。

圖1 基于某費控體系的手持抄表終端架構(gòu)圖

圖2 基于量子保密通信技術(shù)的手持抄表解決方案

2 QKM系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

QKM系統(tǒng)由系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)安全、業(yè)務(wù)功能和審計功能組成，總體功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 QKM系統(tǒng)架構(gòu)圖

QKM系統(tǒng)部署完成后，需要通過初始化功能初始化系統(tǒng)及設(shè)備信息，然后切換系統(tǒng)運行狀態(tài)。系統(tǒng)管理包含用戶和角色管理。角色默認提供基本角色：管理員、安全員、審核員和默認操作員4個角色。系統(tǒng)安全模塊可對系統(tǒng)運行參數(shù)、登陸密碼和令牌PIN進行修改。量子密鑰的生成是業(yè)務(wù)的核心，結(jié)合分散因子管理，完成量子HSM和QKM令牌等密碼設(shè)備的發(fā)行。系統(tǒng)信息可以查看系統(tǒng)版本、級別和運行配置信息等，用戶進行操作時，會記錄相關(guān)的系統(tǒng)日志。操作用戶可以查看自己的系統(tǒng)運行操作記錄，審核員可以查看所有人員的操作記錄。QKM設(shè)備審計可對量子HSM和QKM令牌進行審計，可查看所有與系統(tǒng)連接過的設(shè)備的運行狀態(tài)及詳細運行信息。QKM系統(tǒng)提供按日生成日志文件功能和加密碼算法校驗功能，將文件路徑、名稱和生成日期等信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，并提供查詢上述信息的界面。

2.2 量子密鑰生成

QKM系統(tǒng)負責內(nèi)部量子密鑰的存儲與更新，QKD與QKM之間的交互包括[9-11]：身份認證、會話協(xié)商和獲取量子密鑰等。QKM之間同步獲取量子密鑰，具體業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

圖4 獲取量子密鑰業(yè)務(wù)流程圖

QKM-1與QKD-Bob、QKM-2與QKD-Alice、QKM-1與QKM-2分別建立連接，QKM與QKD雙方通過雙向挑戰(zhàn)應(yīng)答機制進行設(shè)備身份認證，確保通信對方為可信合法設(shè)備，身份認證通過后，雙方通過雙向密鑰協(xié)商機制進行會話密鑰協(xié)商。當會話密鑰生命周期到期時，QKM與QKD通過會話密鑰更新流程完成會話密鑰更新。

以QKM-1為同步獲取密鑰發(fā)起端，組裝量子密鑰請求報文，向QKD-Bob獲取密鑰； QKD-Bob解析量子密鑰請求后從量子密鑰池獲取密鑰，向QKM-1發(fā)送量子密鑰反饋報文，攜帶獲取到的密鑰列表和ID列表；QKM-1解析量子密鑰反饋報文，得到量子密鑰和密鑰ID，向QKD-Bob發(fā)送量子密鑰確認報文攜帶密鑰ID，確認己方已收到，并向QKM-2發(fā)起密鑰同步請求，攜帶獲取到的密鑰ID；QKD-Bob收到量子密鑰確認報文，從密鑰池刪除本次輸出的密鑰信息；QKM-2接收密鑰同步請求，取出密鑰ID，組裝量子密鑰請求報文，向QKD-Alice獲取指定ID密鑰；QKD-Alice解析量子密鑰請求報文，從量子密鑰池獲取指定ID密鑰，向QKM-2發(fā)送量子密鑰反饋報文，攜帶獲取到的密鑰列表和密鑰ID列表；QKM-2解析量子密鑰反饋報文，得到量子密鑰和密鑰ID，向QKD-Alice發(fā)送量子密鑰確認報文攜帶密鑰ID，確認己方已收到，并向QKM-1發(fā)起密鑰同步反饋；QKM-1收到密鑰同步反饋，表示QKM-2已取到與自己完全一致的密鑰，則將本次待同步量子密鑰存入已同步密鑰，并通知QKM-2已存儲；QKM-2收到QKM-1存儲通知，則將本次待同步量子密鑰存入已同步密鑰；至此，QKM-1與QKM-2同步獲取量子密鑰過程完畢。

3 多終端量子密鑰應(yīng)用驗證

3.1 量子密鑰驗證架構(gòu)

在實驗探究階段，結(jié)合經(jīng)典QKD架構(gòu)，本文提出如圖5所示的多終端量子密鑰應(yīng)用驗證架構(gòu)。除經(jīng)典模塊外，新增模擬終端和模擬主站系統(tǒng)(即主站和終端交互測試程序)，以驗證量子密鑰的可行性。

圖5 多終端量子密鑰應(yīng)用驗證架構(gòu)圖

根據(jù)量子保密通信系統(tǒng)密鑰交互接口技術(shù)規(guī)范，定制化開發(fā)QKM系統(tǒng)[12-14]，實現(xiàn)QKD控制、量子密鑰分配和量子密鑰傳輸?shù)裙δ?。結(jié)合應(yīng)用流程詳細設(shè)計，包括：主站和終端/量子HSM連接、斷開主站和終端/量子HSM的連接、數(shù)據(jù)加密應(yīng)用、數(shù)據(jù)解密應(yīng)用、會話協(xié)商、身份認證和密鑰更新等，定制化開發(fā)QKD設(shè)備、量子HSM及模擬終端交互接口。主站和終端交互測試程序作為模擬主站系統(tǒng)，調(diào)用量子HSM，配合模擬終端，實現(xiàn)各應(yīng)用流程的驗證。

3.2 應(yīng)用接口開發(fā)

如圖5所示，QKD設(shè)備、量子HSM及模擬終端交互接口可總結(jié)為以下6類，如表1所示。

表1 量子密鑰驗證方案接口明細表

3.3 安全性提升說明

結(jié)合設(shè)計框架，搭建如6圖所示的系統(tǒng)進行驗證。除驗證常規(guī)應(yīng)用流程外，配合使用光纖耦合夾，將光纖剝皮后夾在上面，通過彎曲光纖分光。根據(jù)散出的小部分光還原數(shù)據(jù)，達到光纖竊聽的目的，進一步驗證生成量子密鑰的安全性。

圖6 量子保密通信技術(shù)系統(tǒng)研究實物圖

4 結(jié)束語

電力領(lǐng)域量子保密通信技術(shù)的應(yīng)用正處于試驗探索的初期階段，市場上還沒有成熟的量子保密通信解決方案去應(yīng)對多終端的應(yīng)用場景。綜上所述，本文提出的基于量子保密通信技術(shù)的手持抄表解決方案及相關(guān)研究是電力多終端量子密鑰應(yīng)用的可行場景。此外，縱觀用電信息采集系統(tǒng)和配網(wǎng)自動化密鑰管理系統(tǒng)等配用電系統(tǒng)均已在網(wǎng)穩(wěn)定運行，其安全性滿足各項安全要求。對量子密鑰的深入研究將有利于量子保密通信技術(shù)與電力應(yīng)用的有效融合，實現(xiàn)技術(shù)升級換代，系統(tǒng)在安全、準確、可靠、有效和實時等方面性能得到進一步提升。