精準定位和無線安全通信技術(shù)在電力保障中的應用

黃 寧，侯春生，呂 華

(國網(wǎng)固原供電公司，寧夏 固原 756000)

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人類各項業(yè)務逐步向網(wǎng)絡化、遠程化、虛擬化發(fā)展，眾多傳統(tǒng)業(yè)務逐步從線下遷移到線上，期望利用信息系統(tǒng)的敏捷和高效，提升自身內(nèi)部的管理和工作效率。國家電網(wǎng)在其中始終扮演著積極的實踐者和參與者角色。對于電力生產(chǎn)運營企業(yè)而言，電力保障服務是其立身之本，全力保障電網(wǎng)平穩(wěn)安全運行是其擔負的最基本的社會責任。隨著嵌入式智能終端和移動通信的發(fā)展，融合了精準定位和無線安全通信技術(shù)的電力保障服務與過程管控方案成了電網(wǎng)企業(yè)目前信息化和智能化的一大方向[1]。本文從精準定位和無線安全通信技術(shù)入手，對面向電網(wǎng)的服務運維過程管控業(yè)務進行數(shù)字化方案設(shè)計，期望能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電力保障過程監(jiān)管工作提供助力，為電網(wǎng)的平穩(wěn)安全運行提供基礎(chǔ)制度和應用保障。

1 相關(guān)概念

1.1 精準定位

精準定位即高精度定位技術(shù)。該技術(shù)作為目前物聯(lián)與人機交互方向的前沿應用，已經(jīng)成了諸多業(yè)務系統(tǒng)用于客觀佐證和業(yè)務管控的工具。目前的高精度定位主要面向兩類：(1)面向室外工作和業(yè)務場景提供的基于GPS或北斗的定位系統(tǒng)及相關(guān)算法；(2)面向室內(nèi)環(huán)境的高精度定位。本文分別選取一個典型技術(shù)應用對其進行論述。

1.1.1 基于衛(wèi)星定位的室外高精度差分定位技術(shù)

基于衛(wèi)星定位的室外高精度差分定位技術(shù)是借助衛(wèi)星定位系統(tǒng)，對用戶側(cè)定位終端的地理做標記進行測量。目前常用的系統(tǒng)包括GPS、北斗、GLONASS、Galileo 等。其中的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其定位精度高，提供短端報文傳輸功能，同時能夠完成精準授時。通過載波相位差分定位技術(shù)，其定位精度可高達厘米級別，為我國軍民業(yè)務的發(fā)展提供了堅實保障[1]。

1.1.2 基于UWB的高精度室內(nèi)定位技術(shù)

UWB作為一種基于高寬帶的室內(nèi)精準定位技術(shù)，其典型特征是定位精度高、抗干擾性好、室內(nèi)定位效果極佳等。盡管北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)合載波相位差分定位技術(shù)后同樣可以實現(xiàn)厘米級定位，然而在衛(wèi)星通信不可達的室內(nèi)，只有借助UWB等優(yōu)秀的室內(nèi)高精度定位技術(shù)才能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)的精準指引。

1.2 無線通信專網(wǎng)

對電力行業(yè)而言，無線通信專網(wǎng)實質(zhì)上指的是LTE-G 230 MHz。該網(wǎng)絡實質(zhì)起源于LTE技術(shù)，在工信部特別授權(quán)下，國網(wǎng)在223～235 MHz構(gòu)建了電力無線寬帶專網(wǎng)。該專網(wǎng)主要應對電力系統(tǒng)的無線指令下發(fā)、數(shù)據(jù)回傳、電力設(shè)備控制等。該網(wǎng)絡可支持3類典型的電網(wǎng)應用場景：控制類、采集類、移動應用類。對電力專網(wǎng)而言，信息的可靠性和安全性尤為重要，這不僅關(guān)系到通信網(wǎng)絡的安全，更關(guān)系到電網(wǎng)業(yè)務運轉(zhuǎn)的安全。因此電力無線通信專網(wǎng)通常與嚴格的加密、分層傳輸?shù)燃夹g(shù)息息相關(guān)。

1.3 通信加密技術(shù)

通信加密技術(shù)的出現(xiàn)主要是為了應對無線通信數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡穩(wěn)定問題。常見的通信加密對計算機系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)的價值始終超過系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施本身，特別是用戶隱私數(shù)據(jù)、系統(tǒng)核心業(yè)務數(shù)據(jù)等。因此在進行網(wǎng)絡計算機網(wǎng)絡安全策略構(gòu)建和防護時，數(shù)據(jù)的加密保護是核心環(huán)節(jié)[2]。常見的數(shù)據(jù)加密技術(shù)包括非對稱加密、對稱加密、摘要加密等，面對不同的計算機網(wǎng)絡安全防護場景，只有選擇適當?shù)募用芗夹g(shù)，才能夠在保證系統(tǒng)運行效率和業(yè)務應用成本的同時，確保系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)完整性。國家密碼管理局研發(fā)出了一系列安全加密方法，包括SM1，SM2，SM3等，這些算法已經(jīng)替代了Hash，AES，DES等加密方式，廣泛應用于社會的各個領(lǐng)域。

2 電力保障服務過程管控技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)核心目的

本系統(tǒng)核心目的在于：基于無線專用傳輸網(wǎng)絡，利用高精度位置服務和面向無線專網(wǎng)的通信加密技術(shù)，面向作業(yè)流程監(jiān)管、可視化指揮調(diào)度以及數(shù)據(jù)自動采集等業(yè)務，構(gòu)建基于智能移動裝備的供電服務過程監(jiān)管系統(tǒng)，主要用于解決如下問題。

2.1.1 用電服務難留證

用電服務過程中常有用戶對現(xiàn)場抄表、現(xiàn)場維修等問題提出異議，同時在前端服務過程中可能因各種原因與用戶產(chǎn)生矛盾和沖突。在傳統(tǒng)模式下，上述情況始終缺乏客觀的問題記錄和反饋機制。

2.1.2 前后端難以協(xié)同作業(yè)

前端服務人員進行現(xiàn)場運維時，面對復雜故障通常難以向后端專家口述。同時對于部分高風險業(yè)務，通常難以對現(xiàn)場過程進行實時監(jiān)管和指導，這對業(yè)務的安全順利推行產(chǎn)生了一定的阻礙，也帶來了一定風險。

2.1.3 數(shù)據(jù)存儲和傳輸安全存在隱患

傳統(tǒng)服務過程中所持有的供電服務記錄儀通常為離線式，其數(shù)據(jù)存儲在普通存儲器上，在進行提取和導出時缺乏數(shù)據(jù)安全加密手段，可能導致數(shù)據(jù)丟失、信息被竊取、信息被篡改等問題

2.1.4 缺乏作業(yè)過程監(jiān)督體系

傳統(tǒng)模式對前端服務人員的工作缺乏實時的合規(guī)檢驗和監(jiān)督機制，難以對業(yè)務人員能力和素養(yǎng)進行客觀考核，特別是無法通過音視頻進行過程客觀記錄。

2.2 系統(tǒng)通信架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)所處的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，核心層主要負責對業(yè)務網(wǎng)絡和系統(tǒng)管理服務進行構(gòu)建；承載層則主要借助LET-G，通過運營商專網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡交換；無線接入層則是LTE-G對外提供的無線專網(wǎng)接入點，直接面向終端設(shè)備。

圖1 電力保障服務過程管控網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

2.3 硬件架構(gòu)設(shè)計

針對本系統(tǒng)的終端業(yè)務對接和人機交互，本次采用可接入電力專網(wǎng)的智能供電服務記錄儀作為過程管控設(shè)備。該記錄儀具備音視頻采集模塊、安全加密模塊、電源管理模塊、4G專網(wǎng)通信模塊、三模定位模塊，并具備高性能的流媒體采集、處理、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)能力。該硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能供電服務記錄儀

3 電力保障服務過程管控系統(tǒng)安全加密技術(shù)及方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)加密需求分析

3.1.1 系統(tǒng)中校驗性數(shù)據(jù)加密需求

在本系統(tǒng)中，校驗性數(shù)據(jù)較為廣泛。典型的校驗性數(shù)據(jù)有：用戶鑒權(quán)信息、系統(tǒng)身份令牌、網(wǎng)絡設(shè)備識別信息、數(shù)據(jù)完整性校驗信息等。該場景下的加密需求如下：

(1)不需要確保信息可逆向解密。

對于網(wǎng)絡通信中的校驗性數(shù)據(jù)，其加密需求并不是為了防止數(shù)據(jù)被窺探，加密內(nèi)容本身也并不是為了對內(nèi)容本身進行保護，而是出于隱匿敏感用戶信息、實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)隔離、防止信息篡改等目的，運用唯一性校驗算法生成與原內(nèi)容唯一對應的一串校驗信息[2]。通過該信息，內(nèi)容的生成方可以和內(nèi)容的存儲和使用方進行相互比較，從而認證原信息的一致性[2]。

(2)加密效率要求較高。

為了加快業(yè)務訪問速度，實現(xiàn)快速的認證和比對，因此此類加密需求對效率要求較高。

3.1.2 系統(tǒng)通信鏈路通信數(shù)據(jù)加密需求

鏈路通信數(shù)據(jù)加密是一種較為嚴格的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密。從OSI模型可以看出，計算機網(wǎng)絡通信鏈路較為底層，處于網(wǎng)絡模型的物理層之上。而鏈路層主要負責對介質(zhì)進行訪問，并完成鏈路管理。從這里可以看出，鏈路層中不關(guān)心業(yè)務數(shù)據(jù)，其只專注網(wǎng)絡數(shù)據(jù)本身的傳輸。因此鏈路通信數(shù)據(jù)加密實質(zhì)上是一種極為底層的加密方式，該加密方式實質(zhì)上是對鏈路數(shù)據(jù)整體進行加密。其加密需求如下：

(1)加解密可逆。

鏈路層加密需要在每個節(jié)點還原數(shù)據(jù)，并在下一次轉(zhuǎn)發(fā)時重新加密，因此需要實現(xiàn)加解密可逆。

(2)加密方式高效或不占用系統(tǒng)資源。

由于鏈路層數(shù)據(jù)包含了很多數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)信息和地址信息，因此，鏈路通信數(shù)據(jù)一旦參與加密，則必然會涉及頻繁的節(jié)點間解密和重加密。這就要求加密方法能夠被高效地執(zhí)行，或不影響通信鏈路各個節(jié)點設(shè)備的性能，以確保通信效率[2]。

(3)加解密方式全鏈路唯一。

由于加解密由整個鏈路同時參與，這就要求整個鏈路的加解密方法應當被各個節(jié)點共享，進而要求加解密方式全鏈路唯一。

3.1.3 系統(tǒng)中端到端加密需求

端到端加密是以一種較為上層的網(wǎng)絡通信加密場景。在OSI模型中，此類加密場景處于應用層或會話層。此類通信加密主要用于應對設(shè)備與設(shè)備的點對點通信，此時的鏈路層僅負責對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)和處理，不需要關(guān)注消息體的內(nèi)容[3]。因此該場景下的加密需求如下：

(1)對加解密性能不敏感。

端對端的加密解密主要在高性能硬件設(shè)備上進行，因此其對加解密的性能損耗容忍度較高，對加解密性能不敏感。

(2)加解密可逆。

由于端對端是對內(nèi)容本身進行加密，防止竊取，因此加密方式需要可逆。

(3)加解密方式端對端唯一。

由于端到端加密主要是出于業(yè)務需求，用于服務端到客戶端的通信數(shù)據(jù)內(nèi)容加密，因此通常需要考慮端與端之間的用戶或者設(shè)備差異，以確保用戶或設(shè)備數(shù)據(jù)解密方的唯一性。

3.1.4 計算機網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)存儲加密需求

數(shù)據(jù)存儲加密是計算機系統(tǒng)的廣泛需求。對計算機網(wǎng)絡而言，數(shù)據(jù)安全可靠的存儲是網(wǎng)絡系統(tǒng)和應用的基本訴求。該場景下的數(shù)據(jù)加密主要是為了防止數(shù)據(jù)物理竊取和篡改，確保計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。因此該場景下的加密需求如下：

(1)加解密可逆。

數(shù)據(jù)存儲加密主要是為了確保數(shù)據(jù)安全，在實踐過程中加密數(shù)據(jù)通常需要解密后進一步使用。

(2)加解密性能不敏感。

由于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)存儲設(shè)備性能通常較強，因此對加解密的性能不敏感。

(3)對單一數(shù)據(jù)或有加解密方式唯一需求。

由于計算機網(wǎng)絡是多用戶的，為實現(xiàn)用戶間數(shù)據(jù)隔離，通常需要對不同用戶提供不同的加解密手段和憑證。

3.2 系統(tǒng)安全加密方案設(shè)計

為實現(xiàn)更全面的通信和數(shù)據(jù)安全防護，本次設(shè)計中將鏈路通信、系統(tǒng)應用、數(shù)據(jù)存儲作為安全防護的關(guān)鍵節(jié)點，并選擇適當?shù)募用芊绞胶桶踩雷o策略對相應節(jié)點的數(shù)據(jù)安全進行保障，以最終滿足整套系統(tǒng)無線通信和信息業(yè)務的安全防護需求。為便于描述方案，本文將整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)與通信環(huán)境抽象成為常規(guī)的服務器+客戶端的計算機網(wǎng)絡應用環(huán)境[3]。該環(huán)境中至少存在服務器、若干通信鏈路節(jié)點(網(wǎng)絡設(shè)備)和客戶端3類設(shè)備。在最簡模型下，為實現(xiàn)服務器與客戶端通信的安全防護，系統(tǒng)數(shù)據(jù)與通信安全方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)與通信安全方案

3.2.1 通信鏈路層數(shù)據(jù)加密策略

為提高鏈路安全性，可考慮在鏈路層增加對稱加密方式。考慮到鏈路節(jié)點設(shè)備性能有限，為提高數(shù)據(jù)吞吐，可增加FPGA硬件加解密模塊，通過邏輯電路對加解密進行實現(xiàn)，其中硬件加解密密鑰可預先協(xié)商一致。由于硬件本身安裝在通信鏈路上，因此密鑰相對安全，進而可推論鏈路數(shù)據(jù)加解密過程安全。這里選擇硬件令牌模式的國密SM1算法實現(xiàn)。

鏈路層數(shù)據(jù)加密對于應用層而言完全透明，系統(tǒng)應用層不需了解鏈路層加密的邏輯，對應用層數(shù)據(jù)包而言，前后始終為明文。這一方式能夠使得鏈路本身安全可靠，若為實現(xiàn)安全性更高的加密邏輯，可通過定制加解密硬件實現(xiàn)鏈路層的特殊加密，其加密的復雜性可根據(jù)實際需要定制。

3.2.2 系統(tǒng)應用層數(shù)據(jù)加密策略

在系統(tǒng)應用層，為滿足與不同客戶機的交互，這里選擇非對稱加密作為應用層的互通加解密方式。國密體系中SM2能夠滿足系統(tǒng)對非對稱加密的要求。對于常規(guī)的網(wǎng)絡服務而言，客戶機分散在各處，由不同的人和組織所控制，其安全性無法完全保障。而服務器硬件本身可以配置防火墻、本地安全防護策略以及殺毒軟件等多重防護，因此可以將服務器環(huán)境視作相對安全的環(huán)境，存儲在服務器上的信息也相對更加可信。此時若采用對稱加密，則很有可能在密鑰交換過程中被第三人截獲信息，從而篡改與客戶機的通信數(shù)據(jù)，引入不安全因素。因此這里采用非對稱加密，由服務器生成公鑰和私鑰[3]。服務器通過公開渠道將公鑰分發(fā)給指定客戶機，由其存儲在本地。當需要進行交互時，服務器可通過存儲在自身的私鑰對數(shù)據(jù)進行加密并傳輸至客戶機。此時客戶機必須通過相應的公鑰進行解密，才能獲得數(shù)據(jù)。在反向通信過程中，客戶機通過私鑰加密，發(fā)送至服務器后，服務器通過公鑰解密，獲得最終消息[4]。這一過程能夠有效避免中間人截取密鑰竊取數(shù)據(jù)。

3.2.3 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)存儲加密策略

如圖6所示，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)存儲加密主要是在相對可信的環(huán)境下，對存儲數(shù)據(jù)進行加密。加密的核心目標是對數(shù)據(jù)物理存儲信息進行防護，確保在物理數(shù)據(jù)被竊取時，竊取者無法對數(shù)據(jù)進行還原，確保數(shù)據(jù)安全。同時服務器或客戶機性能通常有一定保障，因此對稱全文加密在這里較為適用。為確保個人終端數(shù)據(jù)的加密，為確保符合國家標準，該環(huán)節(jié)特選用國密SM1，利用加密芯片進行加密[4]。

4 結(jié)語

本文從電力保障服務過程管控方案的核心設(shè)計目標入手，明確了系統(tǒng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡通信架構(gòu)和終端硬件架構(gòu)，并對系統(tǒng)交互和硬件基礎(chǔ)模塊進行了定義。此后針對系統(tǒng)的安全保障體系進行了設(shè)計，特別針對不同環(huán)節(jié)加密方式進行了選擇，利用SM1替代傳統(tǒng)對稱加密，實現(xiàn)嚴格的數(shù)據(jù)安全存儲和傳輸；利用SM2實現(xiàn)服務與終端的非對稱加密；利用SM3實現(xiàn)內(nèi)部摘要和簽名。期望本文能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電力保障過程監(jiān)管工作提供助力，對電網(wǎng)運行平穩(wěn)安全提供基礎(chǔ)制度和應用保障。