智能量測開關(guān)與智能物聯(lián)鎖具信息交互設(shè)計

摘 要：針對低壓臺區(qū)中電能表計量箱的管理存在智能化和精細化不足、經(jīng)常發(fā)生竊電行為等問題，利用計量箱部署的智能量測開關(guān)和智能物聯(lián)鎖具設(shè)計了基于密碼技術(shù)的智能量測開關(guān)與智能物聯(lián)鎖具信息交互方案，通過利用國密SM1、SM3、SM4算法實現(xiàn)了量測開關(guān)和物聯(lián)鎖具信息交互的數(shù)據(jù)加解密、消息鑒別及身份認證。通過開鎖、關(guān)鎖、事件上報和網(wǎng)絡(luò)安全的試驗結(jié)果顯示，本設(shè)計能有效提升計量箱的智能化水平和精細化管理能力，可保證海量計量箱安全接入主站。

關(guān)鍵詞：計量箱；智能量測開關(guān)；智能物聯(lián)鎖具；密碼技術(shù)；信息交互

中圖分類號：TM 933" " 文獻標志碼：A

電能表計量箱主要用于安裝電能表的設(shè)備，是供電公司和用戶設(shè)備之間的產(chǎn)權(quán)分界點，隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)深入推進，計量箱的智能化水平亟待提升，計量箱的進線開關(guān)由普通塑殼斷路器逐步替換為智能量測開關(guān)，鎖具由普通的機械鎖更換為物聯(lián)鎖具。

田瑞等[1]提出融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)及云計算技術(shù)的電能計量箱用智能鎖具應(yīng)用方案，以解決傳統(tǒng)機械鎖具的應(yīng)用弊端。劉天成等[2]對變電站中物聯(lián)網(wǎng)的在線鎖具應(yīng)用進行研究，對在線鎖具進行遠程管理和控制，實現(xiàn)對變電站設(shè)備和門禁的實時監(jiān)管和遠程控制。閔雄等[3]提出基于NFC無線供電技術(shù)的電力智能安全防誤鎖具，通過具備NFC讀寫功能的設(shè)備實現(xiàn)與鎖具的信息交互。綜合當前的研究與技術(shù)，主要針對傳統(tǒng)鎖具問題開展了鎖具在線的研究及鎖具就地應(yīng)用，在電力領(lǐng)域應(yīng)用范圍較少且功能單一，沒有在電能表計量箱使用智能物聯(lián)鎖具和實現(xiàn)海量計量箱的信息化管理的相關(guān)研究。

本文基于密碼技術(shù)，利用在電能表計量箱部署智能量測開關(guān)和智能物聯(lián)鎖具的方式設(shè)計智能量測開關(guān)與智能物聯(lián)鎖具信息交互方案，可為計量箱的智能化、精細化建設(shè)提供有力支撐。

1 信息交互設(shè)計思路

為了保證智能量測開關(guān)與智能物聯(lián)鎖具間通信的安全性、可靠性和高效性，有效保障數(shù)據(jù)安全傳輸與指令可靠執(zhí)行，信息交互的設(shè)計思路基于數(shù)據(jù)的類型和安全等級，采用不同策略進行交互，在保證雙方身份認證的安全的前提下對數(shù)據(jù)進行加解密處理。

本文設(shè)計了基于對稱密碼技術(shù)和雜湊密碼技術(shù)的方案，對稱密碼算法采用國家密碼管理局認定的國密SM1和SM4，雜湊密碼算法采用國密SM3，根據(jù)用電信息采集場景中各算法計算頻率，當總權(quán)重為1時，設(shè)定SM1和SM4的權(quán)重比例均為0.36，SM3的權(quán)重比例為0.28，通過權(quán)重隨機選擇算法。密碼算法主要用于復(fù)位命令、設(shè)置參數(shù)和控制命令等加密和解密、密鑰的協(xié)商與更新、消息鑒別、生成隨機數(shù)。

智能量測開關(guān)與智能物聯(lián)鎖具信息交互采用以下4種模式：明文、明文+MAC（Message Authentication Code消息鑒別碼）、密文、密文+MAC?；谏鲜?種模式，將交互數(shù)據(jù)的安全等級分為4級，智能量測開關(guān)通過數(shù)據(jù)標識碼判斷安全級別，依次為無安全性要求的數(shù)據(jù)、低安全性要求的數(shù)據(jù)、中安全性要求的數(shù)據(jù)及高安全性要求的數(shù)據(jù)。開關(guān)通過分類配置數(shù)據(jù)交互模式和密鑰后進行數(shù)據(jù)傳輸，具體如下：無安全性要求的數(shù)據(jù)其交互模式為不需要安全加密，以明文方式傳輸，在數(shù)據(jù)交互前不需要配置密鑰。低安全性要求的數(shù)據(jù)交互模式為不需要安全加密，以明文方式傳輸，需要計算MAC校驗碼。中安全性要求的數(shù)據(jù)交互模式為需要安全加密，數(shù)據(jù)以密文方式傳輸，不需要計算MAC校驗碼，在數(shù)據(jù)交互前需要配置數(shù)據(jù)加密密鑰。高安全性要求的數(shù)據(jù)交互模式為需要安全加密和計算MAC校驗碼，數(shù)據(jù)以密文加MAC方式傳輸[4]。

智能量測開關(guān)與智能物聯(lián)鎖具通信拓撲圖如圖1所示，開關(guān)與鎖具通過CAN或藍牙進行數(shù)據(jù)交互，再由開關(guān)通過HPLC雙模通信將鎖具信息上送至采集終端，采集終端再通過4G/5G無線通信將鎖具信息上送至具有鎖具微應(yīng)用的主站。鎖具同時也能夠通過現(xiàn)場作業(yè)終端進行就地維護和管理。

2 密碼技術(shù)研究

為了確保通信過程中的安全，本文重點研究信息交互中數(shù)據(jù)的加密、數(shù)據(jù)的解密、隨機數(shù)生成及消息鑒別密碼技術(shù)。

智能量測開關(guān)和智能物聯(lián)鎖具采用3種國密算法，分別為SM1、SM3和SM4，SM1算法和SM4算法為對稱加密算法，即加解密使用同一個密鑰進行運算。SM3為雜湊算法，是指通過特定的函數(shù)或算法計算比特串，得到固定長度的比特串[5]，且不可逆，SM3主要用于生成MAC、隨機數(shù)和身份認證。

2.1 SM1算法

SM1算法的數(shù)據(jù)加密過程如下：首先，在需要加密的數(shù)據(jù)前加上1byte的數(shù)據(jù)長度，以組成新數(shù)據(jù)塊；再將新數(shù)據(jù)塊以16byte為單位的數(shù)據(jù)塊Block1，Block2，...，Blockn來表示，如果最后的數(shù)據(jù)塊長度沒有16byte，就通過在后面補零的方式進行補齊[6]；基于SM1加密流程如圖2所示；計算結(jié)束后，根據(jù)先后順序?qū)?shù)據(jù)進行組合，該數(shù)據(jù)即為明文加密后的數(shù)據(jù)，解密過程與此流程相反。

2.2 SM4算法

SM4算法采用分組密碼的設(shè)計，基于非平衡的Feistel結(jié)構(gòu)，將明文數(shù)據(jù)劃分為128bit的數(shù)據(jù)塊，通過密鑰對每個數(shù)據(jù)塊進行加密和解密操作[7]。本文定義用戶輸入的密鑰為MK，F(xiàn)K是SM4算法規(guī)定的128bit常數(shù)，迭代的次數(shù)為32次，產(chǎn)生32個密鑰，如公式（1）所示。

（1）

式中：cki為系統(tǒng)預(yù)設(shè)的32bit的固定參數(shù)；rki為第i輪的輪密鑰；F為密鑰擴展輪函數(shù)；⊕為異或運算。

SM4的加密和解密的方式相同，但是輪密鑰的使用順序不同，加密的時候是0～31，解密的時候是31～0。

2.3 SM3算法

SM3算法用于生成隨機數(shù)，將輸入的數(shù)據(jù)分成512bit的分組，對每一個分組進行填充、分組、擴展和迭代壓縮等操作。設(shè)長度為lbit的數(shù)據(jù)為data，經(jīng)過填充后的數(shù)據(jù)為data’，其長度為512bit的整數(shù)倍。將經(jīng)過填充后的原始數(shù)據(jù)按照每512bit為1組進行分組，分成若干組，最后使用壓縮函數(shù)得到256bit的隨機數(shù)，MAC和簽名的生成方式與隨機數(shù)相似。

3 量測開關(guān)與鎖具信息交互流程

本節(jié)重點討論身份認證、隨機數(shù)和密文+MAC的信息交互流程，因為明文信息交互流程比較簡單，密文信息交互只需要根據(jù)SM1、SM3和SM4算法權(quán)重進行加解密，所以明文和密文的信息交互流程不單獨進行分析。首先，開關(guān)與鎖具進行身份認證，開關(guān)將隨機數(shù)和簽名信息發(fā)送給鎖具，鎖具用對應(yīng)的密鑰對簽名數(shù)據(jù)進行驗證并判斷開關(guān)的身份是否安全，如果驗簽通過，就向開關(guān)發(fā)送確認幀，如果驗簽不通過，就向開關(guān)發(fā)送否認幀，以此來確保雙方的身份安全可靠，流程如圖3所示。

智能量測開關(guān)向物聯(lián)鎖具發(fā)起讀取鎖具隨機數(shù)命令，物聯(lián)鎖具收到指令后，產(chǎn)生序列號和隨機數(shù)，再將序列號和隨機數(shù)發(fā)送給智能量測開關(guān)，流程如圖4所示。

智能量測開關(guān)發(fā)送復(fù)位命令、設(shè)置參數(shù)或控制命令至物聯(lián)鎖具，物聯(lián)鎖具收到指令后，對密文進行解密，再根據(jù)明文數(shù)據(jù)計算MAC，對計算出來的MAC進行判斷，如果MAC正確，就執(zhí)行命令，并返回確認幀，如果MAC校驗錯誤，就重新產(chǎn)生隨機數(shù)，并將MAC校驗錯誤、序列號和隨機數(shù)發(fā)送給智能量測開關(guān)，智能量測開關(guān)收到否認幀，流程如圖5所示。

根據(jù)圖5數(shù)據(jù)驗證流程圖，通過密文和消息鑒別碼傳輸高安全性要求的數(shù)據(jù)，能夠有效防止數(shù)據(jù)傳輸過程中被篡改并抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊，確保開關(guān)和鎖具間指令正確執(zhí)行。

4 試驗驗證與分析

為了驗證基于密碼技術(shù)的智能量測開關(guān)與物聯(lián)鎖具信息交互技術(shù)，開展了開鎖、關(guān)鎖、鎖具事件上報和網(wǎng)絡(luò)安全的試驗，試驗環(huán)境按圖1的通信拓撲搭建。其中，智能量測開關(guān)1臺，安裝了栓式物聯(lián)鎖具的電能表計量箱1套，安裝了掛式物聯(lián)鎖具的電能表計量箱1套，陪測工具及軟件若干。

4.1 開鎖試驗

通過智能量測開關(guān)明文+隨機數(shù)讀取物聯(lián)鎖具編號與狀態(tài)，用于判斷是否需要執(zhí)行開鎖操作，如果是開鎖狀態(tài)，就不執(zhí)行開鎖操作，如果是閉鎖狀態(tài)，就向鎖具發(fā)送密文+MAC開鎖指令，物聯(lián)鎖具執(zhí)行開鎖，返回結(jié)果，測試數(shù)據(jù)見表1。

4.2 關(guān)鎖試驗

關(guān)鎖流程與開鎖流程相同，物聯(lián)鎖具同時支持自動關(guān)鎖，掛式鎖具開鎖后1s內(nèi)鎖梁自動彈開，按壓鎖梁自動關(guān)鎖；栓式鎖具開鎖后10s內(nèi)箱門未打開，自動關(guān)鎖；開鎖后箱門打開，自動關(guān)鎖，測試數(shù)據(jù)見表2。

4.3 事件上報試驗

模擬開鎖、關(guān)鎖、開門、關(guān)門、鎖異常、異常開門、鎖梁異常、電池異常等事件，驗證鎖具是否能夠通過密文+MAC的方式成功主動上報。

本文分別測試帶栓式物聯(lián)鎖具的計量箱和帶掛式物聯(lián)鎖具的計量箱，測試數(shù)據(jù)見表3和表4，由于鎖具的結(jié)構(gòu)不同，因此產(chǎn)生的事件也不同，其測試項存在差別。栓式物聯(lián)鎖具產(chǎn)生6類事件，分別為開鎖事件、關(guān)鎖事件、開門事件、關(guān)門事件、鎖異常事件和異常開門事件。掛式物聯(lián)鎖具產(chǎn)生5類事件，分別為開鎖事件、關(guān)鎖事件、鎖異常事件、鎖梁異常事件和電池異常事件。開門和關(guān)門事件是指計量箱的門發(fā)生開門和關(guān)門事件。鎖異常事件是指在鎖閉的情況下，沒有開鎖操作時檢測到鎖具開鎖或異常；在鎖開的情況下，沒有關(guān)鎖操作時檢測到鎖具閉鎖或異常；鎖具開鎖或關(guān)鎖未成功異常開門事件。異常開門事件是指門開啟但鎖具未開。鎖梁異常事件是指發(fā)生鎖梁斷裂或其他鎖梁脫落的情況。電池異常事件是指后備電池電壓不足的情況。

4.4 網(wǎng)絡(luò)安全驗證

在智能量測開關(guān)和智能物聯(lián)鎖具的CAN接口通道和藍牙接口通道偽造主站數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)竊取重發(fā)包進行網(wǎng)絡(luò)安全攻擊測試，測試數(shù)據(jù)見表5。

分析上述試驗數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計的方法能夠通過智能量測開關(guān)精準實現(xiàn)智能物聯(lián)鎖具的開鎖、關(guān)鎖和事件上報采集，同時智能量測開關(guān)和智能物聯(lián)鎖具在信息交互過程中抗網(wǎng)絡(luò)攻擊能力強，能夠有效抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊。

5 結(jié)語

本文基于密碼技術(shù)設(shè)計了智能量測開關(guān)和智能物聯(lián)鎖具信息交互方案，研究了國密SM1、SM3和SM4算法，提出了智能量測開關(guān)與智能物聯(lián)鎖具的信息交互流程，通過搭建真型試驗進行開鎖、關(guān)鎖、事件上報和網(wǎng)絡(luò)安全測試，充分驗證技術(shù)方法的有效性。試驗結(jié)果表明，此設(shè)計方案能夠助力海量計量箱的智能化和精細化管理。

參考文獻

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