分布式智能充電樁控制信息的機(jī)密性保護(hù)方案

楊家全，馮勇

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，新能源電動(dòng)汽車(chē)得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。同時(shí)，為了滿(mǎn)足數(shù)量日益劇增的電動(dòng)汽車(chē)的充電需求，智能充電系統(tǒng)得以迅速發(fā)展，分布式智能充電樁被廣泛部署。智能充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)連接能源的主要入口，擔(dān)負(fù)著重大的責(zé)任，包括給電動(dòng)汽車(chē)正常充電的電量輸出、充電電量的正確計(jì)費(fèi)、電動(dòng)汽車(chē)的充電安全以及充電過(guò)程中用戶(hù)和服務(wù)商、充電樁和充電樁之間的數(shù)據(jù)互通等[3-5]。

一個(gè)分布式充電樁在電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程中的交互過(guò)程示意圖如圖1 所示，包含6 個(gè)實(shí)體，分別是電動(dòng)汽車(chē)、充電樁、用戶(hù)、手機(jī)終端應(yīng)用軟件、充電卡和后臺(tái)管理中心，其中，智能充電樁是交互的中心[6-8]。

圖1 一個(gè)分布式充電樁在充電過(guò)程中的交互過(guò)程

1）用戶(hù)：作為充電服務(wù)的發(fā)起者，用戶(hù)通過(guò)手機(jī)終端上的應(yīng)用軟件查找充電樁，進(jìn)行充值繳費(fèi)，控制充電起始與停止，查詢(xún)充電的詳細(xì)數(shù)據(jù)，如電壓、電流、電量、計(jì)費(fèi)等信息。

2）手機(jī)終端應(yīng)用軟件：作為用戶(hù)與充電樁和服務(wù)商后臺(tái)管理中心交互的橋梁，獲取用戶(hù)的充電起止指令，控制充電樁開(kāi)始與停止充電，并從充電樁獲取充電的詳細(xì)數(shù)據(jù)反饋給用戶(hù)；另外，與后臺(tái)管理中心交互完成用戶(hù)充值，并從后臺(tái)管理中心獲取充電樁位置等信息反饋給用戶(hù)。

3）后臺(tái)管理中心：作為充電服務(wù)的通過(guò)者，向手機(jī)終端應(yīng)用軟件反饋充電樁的詳細(xì)信息，以及用戶(hù)當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)充電的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息；控制控制充電樁充電的起始與停止，并對(duì)用戶(hù)本次充電進(jìn)行計(jì)費(fèi)。

4）充電卡：作為用戶(hù)給電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電控制的另一種方式，充電卡插入智能充電樁的讀卡器上，可以查看充電卡的余額，并使用充電卡控制充電的起始與停止。

5）充電樁：作為充電服務(wù)的中心，其主要功能是完成給電動(dòng)汽車(chē)的充電工作，但是在整個(gè)充電工作的過(guò)程中，充電樁需要同后臺(tái)管理中心、手機(jī)終端應(yīng)用軟件或者充電卡進(jìn)行交互，從而完成電動(dòng)汽車(chē)的充電工作。

6）電動(dòng)汽車(chē)：作為充電服務(wù)的直接參與者，與智能充電樁交互，通過(guò)智能充電樁獲取電能源。

然而分布式智能充電樁在帶來(lái)方便的同時(shí)也面臨著日益嚴(yán)重的信息安全問(wèn)題，尤其是在電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程中控制信息的機(jī)密性面臨巨大的挑戰(zhàn)。外部攻擊通過(guò)惡意攻擊代碼進(jìn)行控制，使智能充電樁無(wú)法正常給電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電工作，給用戶(hù)使用電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)不便，影響用戶(hù)正常生活；惡意篡改控制信息，造成用戶(hù)充電計(jì)費(fèi)異常，給用戶(hù)和服務(wù)商造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。這些問(wèn)題將成為智能充電充電系統(tǒng)以及電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的嚴(yán)重阻礙。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出一種智能充電樁控制信息的機(jī)密性保護(hù)方案，在充電系統(tǒng)中所有控制信息通過(guò)SM2 算法進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)充電樁信息加密。該方案能夠有效保障智能充電樁控制信息的機(jī)密性，從而提高智能充電樁的安全性，進(jìn)一步促進(jìn)智能充電樁以及電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展。

1 相關(guān)工作

目前在學(xué)術(shù)界在充電樁信息安全防護(hù)技術(shù)方面已取得一些研究成果，主要圍繞充電樁信息安全需求、充電樁 CAN 總線(xiàn)協(xié)議安全以及充電交易數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)等方面展開(kāi)。在充電樁信息安全需求方面，文獻(xiàn)[5]詳細(xì)描述了在電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程中，用于通信的嵌入式設(shè)備（如充電樁中的核心芯片等）安全的重要性，并針對(duì)充電樁可能存在的信息安全問(wèn)題提出了一些應(yīng)對(duì)方案，最后主要是對(duì)電動(dòng)汽車(chē)在充電過(guò)程中用于的嵌入式設(shè)備所面臨的安全問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，并提出了嵌入式設(shè)備在應(yīng)用于充電樁方面未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。文獻(xiàn)[10]分析了在當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋下，充電樁所面臨的在線(xiàn)惡意攻擊、用戶(hù)私密數(shù)據(jù)可能被篡改或竊取等安全威脅，并提出了一種分別針對(duì)充電樁后臺(tái)管理中心、充電樁充電卡和手機(jī)終端充電樁應(yīng)用軟件的信息安全防護(hù)方案。在充電樁CAN 總線(xiàn)協(xié)議安全方面，文獻(xiàn)[7]分析了惡意攻擊者如何通過(guò)分布式充電樁和電動(dòng)汽車(chē)充電通信協(xié)議——CAN總線(xiàn)協(xié)議發(fā)動(dòng)攻擊，嚴(yán)重干擾智能充電樁的正常充電工作，對(duì)充電基礎(chǔ)設(shè)施的安全帶來(lái)巨大的威脅，并提出一種基于最大最小蟻群算法(MMAS) 的 CAN 總線(xiàn)協(xié)議模糊測(cè)試方法，對(duì)相關(guān)的報(bào)文進(jìn)行安全檢測(cè)，有效提高CAN 總線(xiàn)協(xié)議的安全。另外，在充電交易數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)方面，文獻(xiàn)[8]方法通過(guò)對(duì)充電樁進(jìn)行用戶(hù)數(shù)據(jù)處理與用戶(hù)隱私信息加密，使每個(gè)用戶(hù)對(duì)與其自身相關(guān)的數(shù)據(jù)擁有絕對(duì)的控制權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)更為安全的隱私和交易數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

綜上所述，在充電樁信息安全防護(hù)技術(shù)方面雖然已取得一些研究成果，但主要圍繞充電樁信息安全需求、充電樁 CAN 總線(xiàn)協(xié)議安全以及充電交易數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)等方面展開(kāi)。目前還沒(méi)有保護(hù)分布式智能充電樁控制信息機(jī)密性的相關(guān)方案，為了提高分布式智能充電樁工作的安全性、可靠性，以促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展，設(shè)計(jì)一種保護(hù)分布式智能充電樁控制信息機(jī)密性的方案就顯得更為迫切。

2 SM2加密算法

SM2 算法和RSA 算法都是公鑰密碼算法，SM2 算法是一種更先進(jìn)安全的算法，在商用密碼體系中被用來(lái)替換RSA 算法。

SM2 主要分為SM2 加解密算法以及SM2簽名算法，數(shù)據(jù)的發(fā)送方和接收方各自持有一對(duì)公私鑰，發(fā)送方的公私鑰對(duì)用(PKSend,SKSend)表示，接收方的公私鑰對(duì)用(PKRecv,SKRecv)表示，明文用M表示，密文用C表示。

SM2 加密算法：發(fā)送方使用接收方的公鑰對(duì)明文數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，得到密文后，將密文發(fā)送給數(shù)據(jù)的接收方：

SM2 解密算法：接收方收到密文數(shù)據(jù)后，用自己的私鑰對(duì)密文進(jìn)行解密，從而得到密文數(shù)據(jù)：

SM2 簽名算法：發(fā)送方使用自己的私鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名，得到簽名信息signInfo：

SM2 驗(yàn)證簽名算法：接收方使用發(fā)送方的公鑰對(duì)簽名進(jìn)行驗(yàn)簽，得到驗(yàn)驗(yàn)證簽名結(jié)果：

3 方案設(shè)計(jì)

為了解決分布式智能充電樁控制信息機(jī)密性的問(wèn)題，本文使用國(guó)密SM2 算法對(duì)控制信息進(jìn)行加密傳輸，并將充電系統(tǒng)中的控制信息劃分為以下三類(lèi)：

1）客戶(hù)端信息：指用戶(hù)使用手機(jī)終端應(yīng)用程序向服務(wù)端和充電樁發(fā)出的信息，包括用戶(hù)身份信息、充值信息、開(kāi)始充電請(qǐng)求、終止充電請(qǐng)求等[11-13]。

2）服務(wù)端信息：指后臺(tái)管理中心向用戶(hù)手機(jī)終端和充電樁發(fā)出的信息，包括充電樁位置信息、計(jì)費(fèi)信息、用戶(hù)身份驗(yàn)證反饋、開(kāi)始充電命令、終止充電命令等。

3）充電樁信息：指充電樁向用戶(hù)手機(jī)終端和后臺(tái)管理中心發(fā)出的信息，包括電流、電壓、電量、用戶(hù)身份驗(yàn)證、請(qǐng)求開(kāi)始充電和終止充電信息[14-15]。

在充電服務(wù)過(guò)程中，主要的涉及到控制信息機(jī)密性保護(hù)的過(guò)程是用戶(hù)請(qǐng)求開(kāi)始充電和用戶(hù)請(qǐng)求終止充電，本文將設(shè)計(jì)機(jī)密性保護(hù)方案對(duì)開(kāi)始充電和終止充電服務(wù)過(guò)程中涉及的控制信息進(jìn)行機(jī)密性保護(hù)，方案中參數(shù)及含義如表1 所示。

表1 參數(shù)表

3.1 開(kāi)始充電機(jī)密性保護(hù)

在使用分布式智能充電樁的充電系統(tǒng)中，涉及開(kāi)始充電服務(wù)的實(shí)體有用戶(hù)端、服務(wù)端、充電樁和電動(dòng)汽車(chē)。開(kāi)始充電機(jī)密性保護(hù)方案圖如圖2 所示，控制信息機(jī)密性保護(hù)服務(wù)過(guò)程如下：

圖2 開(kāi)始充電機(jī)密性保護(hù)

1）客戶(hù)端→充電樁：請(qǐng)求開(kāi)始充電。用戶(hù)端將加密的開(kāi)始充電請(qǐng)求和身份信息發(fā)送給充電樁，請(qǐng)求充電樁開(kāi)始為電動(dòng)汽車(chē)充電。其中，strEl表示開(kāi)始充電請(qǐng)求。

2）充電樁：處理充電請(qǐng)求。充電樁收到用戶(hù)端發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，將其解密，獲得用戶(hù)的開(kāi)始充電請(qǐng)求、身份信息和用戶(hù)簽名。

3）充電樁→服務(wù)端：驗(yàn)證用戶(hù)請(qǐng)求。根據(jù)簽名信息進(jìn)行智能充電樁用戶(hù)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)身份驗(yàn)證，并詢(xún)問(wèn)是否可以執(zhí)行用戶(hù)充電請(qǐng)求。

4）服務(wù)端：處理驗(yàn)證請(qǐng)求。服務(wù)端解密充電樁發(fā)送的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證用戶(hù)簽名，并驗(yàn)證用戶(hù)是否滿(mǎn)足執(zhí)行開(kāi)始充電請(qǐng)求的條件，主要分為以下兩步：

①解密：

②驗(yàn)證用戶(hù)：

5）服務(wù)端→充電樁：發(fā)布執(zhí)行命令。服務(wù)端給充電樁發(fā)布是否指令用戶(hù)充電請(qǐng)求的命令。其中，comInfo 表示執(zhí)行命令。

6）充電樁：處理命令。充電樁解密服務(wù)端發(fā)送的命令信息，根據(jù)命令選擇執(zhí)行步驟(7)或者步驟(8)，如果用戶(hù)滿(mǎn)足開(kāi)始充電的條件，則充電樁執(zhí)行步驟(7)，開(kāi)始為電動(dòng)汽車(chē)充電，否則直接執(zhí)行步驟(8)，向用戶(hù)反饋拒絕執(zhí)行開(kāi)始充電的具體原因。其中，exe()表示執(zhí)行。

7）充電樁→電動(dòng)汽車(chē)：開(kāi)始充電。如果服務(wù)端發(fā)布的是執(zhí)行用戶(hù)充電請(qǐng)求，則充電樁開(kāi)始給電動(dòng)汽車(chē)充電，并執(zhí)行步驟(8)，向用戶(hù)反饋當(dāng)前充電情況。

8）充電樁→用戶(hù)端：充電情況反饋。如果用戶(hù)滿(mǎn)足開(kāi)始充電條件，返回當(dāng)前充電的具體情況，例如電流、電壓、計(jì)費(fèi)信息鄧；如果用戶(hù)不滿(mǎn)足開(kāi)始充電條件，則返回拒絕執(zhí)行充電請(qǐng)求的原因。

3.2 終止充電機(jī)密性保護(hù)

在使用分布式智能充電樁的充電系統(tǒng)中，涉及終止充電服務(wù)的實(shí)體有用戶(hù)端、服務(wù)端、充電樁和電動(dòng)汽車(chē)。終止充電機(jī)密性保護(hù)方案圖如圖3 所示，控制信息機(jī)密性保護(hù)服務(wù)過(guò)程如下：

圖3 終止充電機(jī)密性保護(hù)

1）客戶(hù)端→充電樁：終止充電請(qǐng)求。用戶(hù)端將加密的終止充電請(qǐng)求和身份信息發(fā)送給充電樁，請(qǐng)求充電樁開(kāi)始為電動(dòng)汽車(chē)充電-終止充電請(qǐng)求。其中，endEl表示終止充電請(qǐng)求。

2）充電樁：處理終止充電請(qǐng)求。充電樁解密用戶(hù)發(fā)送的數(shù)據(jù)，獲得用戶(hù)的終止充電請(qǐng)求、身份信息和用戶(hù)簽名，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果選擇執(zhí)行步驟(3) 或者步驟(4)，如果用戶(hù)身份驗(yàn)證通過(guò)，則充電樁執(zhí)行步驟(3)，終止本次充電，否則直接執(zhí)行步驟(4)，向用戶(hù)反饋拒絕執(zhí)行終止充電的具體原因。

3）充電樁→電動(dòng)汽車(chē)：終止充電。如果驗(yàn)證用戶(hù)身份通過(guò)，則充電樁執(zhí)行用戶(hù)終止充電請(qǐng)求，終止本次電動(dòng)汽車(chē)充電服務(wù)。

4）充電樁→用戶(hù)端：充電情況反饋。如果用戶(hù)身份通過(guò)，正常終止充電，反饋本次充電具體信息，包括電量、充電時(shí)長(zhǎng)和費(fèi)用等信息；如果用戶(hù)身份未通過(guò)，則反饋無(wú)法正常終止充電及相應(yīng)的原因。

5）充電樁→服務(wù)端：充電結(jié)束。充電樁向服務(wù)端反饋，本次充電結(jié)束，并將加密的本次充電的具體信息，包括用戶(hù)信息、電量、計(jì)費(fèi)等發(fā)送給服務(wù)端。其中，eLInfo表示充電信息。

6）服務(wù)端：充電結(jié)束處理。解密充電樁發(fā)送的用戶(hù)充電信息，記錄用戶(hù)本次充電詳細(xì)情況。主要分為以下兩步：

①解密充電樁發(fā)送的數(shù)據(jù)：

②記錄用戶(hù)本次充電的詳細(xì)情況。

7）充電樁→用戶(hù)端：充電繳費(fèi)。用戶(hù)在充電完成后向服務(wù)端繳納本次充電的費(fèi)用。

4 安全分析

下面對(duì)本文設(shè)計(jì)的分布式智能充電樁控制信息機(jī)密性保護(hù)方案進(jìn)行安全性分析，主要包括機(jī)密性和抗中間人攻擊。

機(jī)密性：控制信息的機(jī)密性保護(hù)是本文方案設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，本文方案使用國(guó)密算法SM2 對(duì)充電服務(wù)過(guò)程中的關(guān)鍵控制信息進(jìn)行加密，這些控制信息包括用戶(hù)端的開(kāi)始充電請(qǐng)求、終止充電請(qǐng)求、充電樁的用戶(hù)驗(yàn)證請(qǐng)求和服務(wù)端的執(zhí)行命令。即使惡意用戶(hù)竊取到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，由于沒(méi)有接收方的私鑰，其無(wú)法解密得到真實(shí)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，因此能夠保證控制信息的機(jī)密性。

對(duì)于本研究來(lái)說(shuō)，無(wú)論是服務(wù)端與用戶(hù)端還是服務(wù)端與充電樁端均傳輸加密后的數(shù)據(jù)，即使惡意第三方采用中間人攻擊，獲得明文數(shù)據(jù)，并且對(duì)于可能作惡的用戶(hù)端，在其提交請(qǐng)求時(shí)必須附加自身對(duì)請(qǐng)求信息的簽名，所以他人無(wú)法偽裝合法用戶(hù)，因此本方案能夠抗中間人攻擊。

5 性能分析

為了對(duì)本文設(shè)計(jì)的機(jī)密性保護(hù)方案進(jìn)行驗(yàn)證和性能測(cè)試，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件為android studio 4.1，服務(wù)器選擇Windows10 64 位操作系統(tǒng)，內(nèi)存8GB，Windows10 64 位操作系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)安裝移動(dòng)端設(shè)備配置為MIUI 12.0.6 系統(tǒng)。

本文進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，記錄方案主要算法過(guò)程的耗時(shí)情況，主要算法過(guò)程包括四個(gè)，分別是加密、解密、簽名和驗(yàn)簽。各算法過(guò)程分別測(cè)試100 次，并取每10 次的平均值，即每個(gè)算法過(guò)程分別記錄10 各平均耗時(shí)數(shù)據(jù)。本文方法的加解密耗時(shí)情況見(jiàn)表2。

表2 時(shí)間記錄表 （單位/ms）

加解密的耗時(shí)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 4個(gè)算法消耗時(shí)間對(duì)比

由表2 和圖4 可以看出，在時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)方面，四個(gè)算法過(guò)程（加密、解密、簽名和驗(yàn)簽）的平均時(shí)間分別為10.3 ms、6.9 ms、5.2 ms 和4.9 ms。在各個(gè)算法過(guò)程中，時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)最小的是驗(yàn)簽過(guò)程，平均耗時(shí)為4.9 極低 ms/次，時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)最大的是加密過(guò)程，平均耗時(shí)為10.3 ms/次，但是每個(gè)算法過(guò)程的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)都極低，不會(huì)影響在充電服務(wù)過(guò)程中的用戶(hù)體驗(yàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

在電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程中控制信息的機(jī)密性正面臨巨大的挑戰(zhàn)，例如對(duì)電動(dòng)汽車(chē)信息進(jìn)行篡改、竊取控制信息，嚴(yán)重危害智能充電樁的正常工作，給用戶(hù)和服務(wù)商造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種智能充電樁控制信息的保護(hù)方案，在充電系統(tǒng)中所有控制信息使用SM2 算法加密，并且要求用戶(hù)在提交請(qǐng)求時(shí)一并提高簽名信息。發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)都利用接收方的密鑰進(jìn)行加解密，從而保證充電服務(wù)過(guò)程中控制信息的機(jī)密性；另外，對(duì)可能作惡的用戶(hù)端，要求其提交請(qǐng)求時(shí)附加對(duì)請(qǐng)求信息的簽名，從而保證控制信息的真實(shí)性。該方案能夠有效保障分布式智能充電樁在充電服務(wù)過(guò)程中控制信息的機(jī)密性，從而提高分布式智能充電樁充電系統(tǒng)的安全性。