基于PKI公鑰體系的電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全接入機(jī)制

辛熙　段金長　劉曉放　張洪略

摘要：針對電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請求繁多、身份認(rèn)證速度慢等網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，通過深入分析網(wǎng)絡(luò)通信過程中數(shù)據(jù)泄漏發(fā)生原理，并基于PKI機(jī)制下的挑戰(zhàn)。響應(yīng)模式對通信雙方的密鑰進(jìn)行動態(tài)更新，利用哈希函數(shù)對用戶身份在通信前做及時認(rèn)證，設(shè)計(jì)了一種安全電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全的接人體系，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息化控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提的基于PKI機(jī)制的方案較傳統(tǒng)基于對稱機(jī)制的方案在犧牲少量計(jì)算代價(jià)的情況下，可實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)高保密高可靠傳輸，在密鑰協(xié)商的相互認(rèn)證階段本文花費(fèi)的通信開銷相較于對稱機(jī)制節(jié)省約4%。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控；電力網(wǎng)；動態(tài)密鑰；相互認(rèn)證；密鑰更新；哈希函數(shù)

中圖分類號：TM632；TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1000-1646（2024）01-0115-06

我國現(xiàn)階段的電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用無線傳輸，其關(guān)鍵保障在于設(shè)備接人時的身份認(rèn)證。根據(jù)電力現(xiàn)貨市場業(yè)務(wù)的需求和現(xiàn)狀，構(gòu)建技術(shù)支撐系統(tǒng)安全構(gòu)架需從系統(tǒng)、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)、接入4個方面全方位進(jìn)行設(shè)計(jì)，安全架構(gòu)如圖1所示。而現(xiàn)有電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)服務(wù)面臨的主要問題是多任務(wù)請求、身份認(rèn)證速度慢等網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，而目前的解決思路主要為分別從物理層和不同通信層進(jìn)行研究的安全設(shè)計(jì)方案，但結(jié)合密碼技術(shù)的研究暫時處于初探階段。DAEMEN等分別利用對稱加密標(biāo)準(zhǔn)DES類和橢圓曲線ECC的方法，用以保護(hù)企業(yè)核心數(shù)據(jù)防泄漏方面的性能。針對移動終端，SUN等提出了一種集客戶端和云服務(wù)器一體的抗泄漏安全存儲模型。此外，有學(xué)者按照文件與移動智能終端的物理依賴，采用密文和明文自由切換，提出文件全生命周期防護(hù)措施。但上述方案由于協(xié)議執(zhí)行過程中要不斷切換，所以均不同程度地存在時延長、實(shí)際效果差的問題。

在市場環(huán)境下，電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)市場技術(shù)支持系統(tǒng)安全防護(hù)所需要遵循的安全策略主要有：1）物理防護(hù)，通過網(wǎng)絡(luò)隔離對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)邊界進(jìn)行防護(hù)；2）系統(tǒng)防護(hù)，通過網(wǎng)絡(luò)接入的安全設(shè)計(jì)，如加密、身份認(rèn)證、訪問控制、終端與應(yīng)用軟件安全管理等措施提升網(wǎng)絡(luò)的安全性能；3）審計(jì)與溯源，采用監(jiān)控與審計(jì)對惡意行為和違規(guī)操作進(jìn)行責(zé)任追溯。

考慮到電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中數(shù)據(jù)安全是全網(wǎng)系統(tǒng)需要保障的核心，因此，本文擬結(jié)合電力網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)和安全防護(hù)策略，借助密碼學(xué)哈希函數(shù)，建立以PKI/CA（公鑰基礎(chǔ)設(shè)施／證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)）技術(shù)為核心的通信雙方數(shù)據(jù)保護(hù)的身份認(rèn)證與訪問控制體系。設(shè)計(jì)框架為內(nèi)部用戶使用企業(yè)內(nèi)建CA系統(tǒng)頒發(fā)的數(shù)字證書，外部用戶使用與中長期電力交易系統(tǒng)一致的第三方CA系統(tǒng)頒發(fā)的數(shù)字證書，并從數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)端實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入和業(yè)務(wù)系統(tǒng)訪問時的身份認(rèn)證等功能。

1 認(rèn)證方案設(shè)計(jì)

在本方案中，主從站之間的通信將選取DNP3協(xié)議，從應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸入手，所設(shè)計(jì)的方案應(yīng)滿足以下目標(biāo)：

1）為減少主從站設(shè)備的頻繁交互，通信存儲與設(shè)計(jì)方案需輕量化；

2）為使系統(tǒng)能自行管理，應(yīng)盡可能避免延遲帶來的消耗；

3）為避免惡意攻擊，需能抵抗主從站遭受的常見攻擊。

2 安全接入方案設(shè)計(jì)

2.1 基于挑戰(zhàn)響應(yīng)的PKI網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全接入認(rèn)證方案架構(gòu)

在無線通信中，攻擊者不具備長時間無差錯監(jiān)聽能力。設(shè)備接入時，數(shù)據(jù)端通常采用加密傳輸，所涉及的操作均為低計(jì)算量操作，如異或、哈希、公鑰等，以降低通信開銷。系統(tǒng)安全架構(gòu)將由3部分組成：數(shù)據(jù)加解密、動態(tài)鑰生成、共享鑰更新。

2.2 系統(tǒng)初始化

圖2為網(wǎng)絡(luò)安全接入機(jī)制模型。本文基于密碼學(xué)中的雙線性對密碼系統(tǒng)建立PKI公鑰基礎(chǔ)設(shè)施，主要步驟為：

1）注冊中心選擇參數(shù)為{G1，G2，P，g，q，e，Ppub，h1-h4，huser，H}，系統(tǒng)主私鑰為τ，其中G1和G2分別為q階加法循環(huán)群和乘法循環(huán)群。e為G1到G2上的雙線性映射，P為G1的生成元，g=e（P，P）為G2的生成元；h、H、h1和huser均為協(xié)議設(shè)計(jì)所必須的密碼學(xué)哈希函數(shù)，具有保護(hù)信息完整性、防篡改的功能，其中，h、H分別為主站和從站產(chǎn)生各自動態(tài)密鑰而使用的函數(shù)，h1表示在共享密鑰產(chǎn)生過程中用到的哈希函數(shù)，huser表示初始階段用戶注冊時所使用的函數(shù)。

2）注冊中心選擇系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)τ，計(jì)算系統(tǒng)主私鑰τ=τP。

3）本文所選取的哈希函數(shù)h為SHA-1。

2.3 設(shè)備認(rèn)證接入

注冊中心基于離散對數(shù)問題，選擇隨機(jī)數(shù)rzc作為自身私鑰，產(chǎn)生公鑰grzc，并利用相關(guān)信息對用戶設(shè)備身份進(jìn)行注冊。用戶選擇隨機(jī)數(shù)ru和其身份IDu，利用注冊中心的公鑰產(chǎn)生密文Encgrzc（IDU||ru）發(fā)送給注冊中心，其中Encx表示經(jīng)加密運(yùn)算產(chǎn)生的密文。注冊中心根據(jù)利用自身的私鑰先解密，然后產(chǎn)生用戶私鑰密文Encgrc（IDU||gτrUrzc，huser（IDU，grU）），返回給用戶。用戶利用自身私鑰解密該密文，經(jīng)過哈希huser（IDU，grU）驗(yàn)證，接收gτrUrzc作為后續(xù)通信臨時共享密鑰，并將信息（gτ，grU，gτrUrzc）存儲到智能電表防篡改模塊，完成用戶注冊。類似地，建立服務(wù)器向注冊中心進(jìn)行注冊請求，得到信息（gτ，gτs，gτrsrzc）并進(jìn)行秘密存儲，其中，gτrsrzc為初始共享密鑰。

2.4 共享密鑰生成與更新

相較于文獻(xiàn)[13]，共享密鑰的產(chǎn)生不僅依賴于計(jì)數(shù)值，而且設(shè)計(jì)成與傳輸信息和通信雙方身份均有關(guān)系的一個量值。方案中采用隨機(jī)數(shù)、雙方身份和時間戳作為動態(tài)密鑰產(chǎn)生的依據(jù)，通信時的動態(tài)密鑰生成流程如圖3所示，主要步驟為：

1）預(yù)設(shè)時間閾值，經(jīng)PKI公鑰認(rèn)證，從站CN向主站安全發(fā)送第一密文E（rand_numl，Ksc），有限時間內(nèi)未收到響應(yīng)則重發(fā)。

2）主站解密第一隨機(jī)序列并暫存，同時向從設(shè)備返回響應(yīng)。

3）從站收到響應(yīng)，更新本地kSet_CN值，計(jì)數(shù)器累加，然后向主站SN發(fā)送第二密文E（rand_num2，Ksc）。

4）主站解密第二密文，向從站發(fā)送響應(yīng)，并與第一隨機(jī)值比較，相同則表示重傳數(shù)據(jù)；否則更新自身的kSet_SN值，計(jì)數(shù)器累加。

5）經(jīng)N次累加，主、從站各自計(jì)算動態(tài)密鑰DSsn=h（kSet_SN）和DScn=H（kSet_CN）。

主從站的動態(tài)密鑰msg均是根據(jù)每次通信使用的隨機(jī)數(shù)計(jì)算而來，主從站的共享鑰也是通過上一次的共享鑰與當(dāng)前最新動態(tài)鑰通過異或操作得出。因此，主站和從站雙方的動態(tài)密鑰與共享密鑰始終保持一致，計(jì)算表達(dá)式為

msgi=Enc（rand_numi，Ksc） （1）

Hash=H（H（ID）||Str||msgi||CTi||tcn） （2）

式中：Str為主從站設(shè)備預(yù)先設(shè)定值；Ksc為主從站初始共享密鑰；tcn為時間戳。主從站通信時，任意一方接收到收據(jù)，檢查哈希值的完整性。若一致無誤，則向?qū)Ψ桨l(fā)送響應(yīng)，解密并更新隨機(jī)數(shù)。同時利用哈希函數(shù)計(jì)算各自動態(tài)密鑰，并經(jīng)過異或再進(jìn)行更新，其表達(dá)式為

DScn/sn=h1（kSet_SN/CN） （3）

式中：DS為動態(tài)密鑰；SK表示共享密鑰在設(shè)備接入時，認(rèn)證過程需要共享密鑰SK的參與。在動態(tài)密鑰DS的生成過程中，攻擊者無法對通信過程中的數(shù)據(jù)始終保持無差錯監(jiān)聽，因此無法獲取某動態(tài)密鑰在生成周期內(nèi)用到的所有隨機(jī)序列，即無法獲得動態(tài)密鑰和共享密鑰。

2.5 在線相互認(rèn)證

用戶與服務(wù)器的相互認(rèn)證及協(xié)商共享會話鑰的過程如下：

1）用戶U得到離線預(yù)計(jì)算結(jié)果后，首先利用私鑰Sku、服務(wù)器公鑰Pks、時間戳T1和隨機(jī)數(shù)R產(chǎn)生包含哈希值在內(nèi)的驗(yàn)證信息，即

v=Pks（T||IDs||IDU||SkU（h1（IDU||IDS||T1||R））） （5）

然后用戶發(fā)送包含驗(yàn)證信息在內(nèi)的共享密鑰給服務(wù)器。

2）當(dāng)服務(wù)器接收到用戶消息時，首先利用解密密鑰獲得用戶身份、隨機(jī)數(shù)等信息，檢查信息v=h1（IDU||IDS||T1||R）是否成立。若成立，則根據(jù)時間間隔判斷T1的有效性；否則，服務(wù)器將重新選擇隨機(jī)數(shù)，產(chǎn)生新的共享密鑰以同樣過程發(fā)送給用戶進(jìn)行驗(yàn)證。

3）無論最終是用戶端還是服務(wù)器端，都需要驗(yàn)證式（5）是否成立。成立則說明密文、共享密鑰在傳輸過程中未被篡改，且服務(wù)器和用戶可以相互驗(yàn)證對方身份的合法性，并可利用共享會話密鑰進(jìn)行后續(xù)的安全通信；若上述等式不成立，則接收方將拒絕此次會話。顯然，在該階段任何一方不但可以根據(jù)時間間隔判斷會話時間的有效性，還能夠通過哈希函數(shù)驗(yàn)證等式v來判斷對方的合法性。上述認(rèn)證過程均采用輕量級計(jì)算和短時時間窗口，從而減少計(jì)算資源。

2.6 電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全接入認(rèn)證方案安全分析

本文所提傳輸網(wǎng)絡(luò)接入方案面臨的主要攻擊有：長時竊聽、惡意注入、重放及中間人攻擊等。

1）長時竊聽。動態(tài)密鑰不僅依賴主從站點(diǎn)隨機(jī)序列，且與各自所持哈希值有關(guān)，即使僅有一個比特的改變也會導(dǎo)致其哈希值的雪崩變化，從而使所提方案能夠抵抗竊聽攻擊。

2）惡意注入。主從站共享密鑰的一致有賴于各站PKI所進(jìn)行的加密處理。當(dāng)攻擊者偽裝從站發(fā)送惡意信息，主站因不能正確解密必將丟棄拒絕后續(xù)通信。此外，主站對接收的任意消息均是先檢驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性，確保數(shù)據(jù)未被惡意篡改才執(zhí)行后續(xù)通信。

3）重放及中間人攻擊。從主站在產(chǎn)生動態(tài)密鑰的過程中引入了時間戳，其數(shù)據(jù)發(fā)送均包含時間信息，一旦傳輸突破閾值，該包即被丟棄。此外，節(jié)點(diǎn)間通信均采用PKI公鑰加密操作，所以攻擊者無法反向推出通信隨機(jī)數(shù)，且動態(tài)密鑰、共享密鑰均無法獲取。因此，可抵抗重放及中間人攻擊。

3 安全接入方案仿真測試

本文仿真選擇通信協(xié)議OpenDNP，其是Automatak基于IEEE 1815面向事件的開源通信協(xié)議棧，工作模式為事件輪詢和基于IP網(wǎng)絡(luò)的靜默模式，借助開源代碼模擬主從站點(diǎn)之間的通信。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

CPU為Interl i5-3210M，主頻2.50GHz，內(nèi)存8GB，硬盤512GB，操作系統(tǒng)為Windows 1064位。開發(fā)環(huán)境Visio Studl02019，C++，開源庫OpenDNP3-2.1.0，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境IEEE802.15。協(xié)議中，主站和從站通信利用本地進(jìn)程模擬，并在OpenDNP3基本框架上額外添加認(rèn)證模塊和密鑰生成模塊保障數(shù)據(jù)安全接人。

3.2 基本操作所耗計(jì)算代價(jià)

本文所提方案涉及的基本操作主要有標(biāo)量乘、SHA-1、點(diǎn)乘、加乘、雙線性配對以及ECC公鑰加密等操作。方案設(shè)計(jì)中所涉及的各項(xiàng)操作在Python-Ate-Bilinear-Pairing 0.6庫和PyECC庫下所消耗的時間如圖4、5所示。每種操作按50次求均值，分別給出用戶端和服務(wù)器端以10為底的對數(shù)的執(zhí)行時間。

文獻(xiàn)[13]執(zhí)行通信協(xié)議時，涉及的操作如下：2個標(biāo)量乘、4個點(diǎn)加、1個指數(shù)、1個加乘、5個哈希和1個對稱加密。因此，用戶端總耗時為248.73ms。類似地，服務(wù)器端的總耗時約為113.30ms。

在本文方案中，用戶端涉及3個指數(shù)、2個點(diǎn)乘、2個點(diǎn)加、1個哈希和2個加密，因此總耗時為3Texp+2Tsm+2Tpa+Th+2TE≈285.6457ms，其中ECC加密時間為0.122；服務(wù)器端涉及3個指數(shù)：2個點(diǎn)乘、2個點(diǎn)加、1個哈希和2個解密，總耗時為3Texp+2Tsm+2Tpa+1Th+2TD≈78.84ms，其中ECC解密時間為0．013ms，如圖6所示。

考慮到目前服務(wù)器的計(jì)算和存儲能力的不斷提升，其產(chǎn)生的時間代價(jià)對實(shí)際應(yīng)用影響不大，故忽略不計(jì)，因此，文中所提基于PKI模式相較于對稱接入模式設(shè)計(jì)，用戶端計(jì)算消耗增加約為14%，這主要源于方案中密鑰支持動態(tài)生成，用戶端所做公鑰加密運(yùn)算耗時較多，但隨著現(xiàn)代化高存儲、高計(jì)算的智能電網(wǎng)環(huán)境不斷發(fā)展，相較于網(wǎng)絡(luò)安全，計(jì)算代價(jià)所占的比重顯著減小。

3.3 通信開銷

本文公鑰系統(tǒng)采用離散對數(shù)和ECC公鑰進(jìn)行環(huán)境構(gòu)建，涉及的加法循環(huán)群為160位，超奇異橢圓曲線上的點(diǎn)由G．中元素構(gòu)成。曲線定義在512位有限域Fp上，即E（Fp）：y2=x3+2。G1和G2大小為512位，Z*Q為256位。假設(shè)隨機(jī)序列和哈希輸出同為256位，用戶身份和時間戳同為64位，公鑰加密采用ECC對用戶身份進(jìn)行加密處理。

3.3.1 用戶注冊階段

在該階段，用戶發(fā)送消息rU和IDU進(jìn)行注冊，獲得（gτ，gτU，gτrUrzc）存儲于本地模塊。在該消息傳輸中，身份信息是64位，所用通信開銷是64+512x3+256=1856位。類似地，可計(jì)算出文獻(xiàn)[13]的用戶注冊通信開銷為1024x2+160+32=2240位。

3.3.2 服務(wù)器注冊階段

在該階段，服務(wù)器發(fā)送消息rS和IDS進(jìn)行注冊，獲得（gτ，gτS，gτrSrzc）存儲于本地在該傳輸?shù)南⒅小７?wù)器的身份為64位，該階段通信開銷仍是64+512x3+256=1856位。類似地，文獻(xiàn)[13]的服務(wù)器注冊通信開銷為32+1024+160=1216位。

3.3.3 在線相互認(rèn)證階段

在線相互認(rèn)證階段主要是為了實(shí)現(xiàn)共享會話密鑰的協(xié)商，用戶、服務(wù)器分別發(fā)送消息rU、IDU、rS、IDS、Encgrzc（IDU||rU）和EncgrU（IDU||gτrUzc，h（IDU，grU）），因此該階段的通信開銷是256+64+256+64+512x4=2688位。文獻(xiàn)[13]通信開銷為1024×2+160x3+256+32=2816位。

密鑰協(xié)商是在用戶和服務(wù)器之間為實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證需要不斷交互進(jìn)行驗(yàn)證確保身份信息一致的重要過程，因此在整個通信過程中具有舉足輕重的作用。相較于對稱機(jī)制的接人方案[13]，PKI機(jī)制方案在密鑰協(xié)商的相互認(rèn)證階段通信開銷節(jié)省約4%。

綜上，本文與文獻(xiàn)[13]方案在用戶、服務(wù)器注冊，以及互認(rèn)證階段的通信代價(jià)如圖7所示。無論何種接入方式，用戶注冊和服務(wù)器注冊屬于一次性通信過程，而相互認(rèn)證則是通信雙方在實(shí)際通信過程中需要首先確認(rèn)一致的信息。

4 結(jié)束語

本文針對智能電網(wǎng)無線傳輸，結(jié)合密碼技術(shù)設(shè)計(jì)了一個PKI公鑰體系的電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全接入方案。通過利用哈希函數(shù)對用戶信息、時間信息、隨機(jī)序列等雙向認(rèn)證，保障了數(shù)據(jù)的完整性和機(jī)密性，并分析了該方案抵抗常見攻擊方式的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于基于對稱加密的認(rèn)證接入方案，雖然本文所提方案在時間性能方面相較于對稱機(jī)制有所降低，用戶端計(jì)算時間增加約14%，服務(wù)器端忽略不計(jì)，但相較于對稱機(jī)制在密鑰協(xié)商的相互認(rèn)證過程中通信開銷可節(jié)省4%，共享密鑰的動態(tài)更新使本文所提方案的安全性得到大幅提高。

（責(zé)任編輯：鐘媛 英文審校：尹淑英）