CN103580859B - 一种用于智能用电互动的非对称加密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于智能用电互动的非对称加密方法，发送端用随机序列生成私有密钥，用该私有密钥对明文数据进行加密得到密文数据，由该私有密钥生成公开密钥，密文数据和公开密钥经过扰码处理后得到带扰码密文数据和带扰码公开密钥，通过传输通道传递至接收端；接收端对带扰码密文数据和带扰码公开密钥进行去扰码处理，得到相应的密文数据和公开密钥，利用该公开密钥计算生成私有密钥，利用该私有密钥对该密文数据进行解密得到明文数据。本发明提出的一种非对称加密方法兼顾简单与安全、快速与私密，在工程使用中能产生实际安全性效果；扰码处理使加密信息具有更强的迷惑性，增加了攻击者的破译难度，且便于通信信道传输。
Description
技术领域
本发明应用于电力行业，服务于智能电网，具体涉及智能用电互动领域，具体涉及一种用于智能用电互动的非对称加密方法。
背景技术
智能电网中通信节点数量巨大、工作环境复杂，需要使用简单、稳定的加密算法，而复杂的加密算法往往需要大量的计算能力和能量，不适用于大规模智能电网部署。
常规使用的加密方法包括对称加密方法和非对称加密方法。对称密钥加密算法实现方式参见GB/T17903.2—1999：信息技术-安全技术-抗抵赖第2部分：使用对称技术的机制（ISO/IEC13888-2：1997）；非对称密钥加密算法实现方式参见GB/T17903.3—1999：信息技术-安全技术-抗抵赖第3部分：使用非对称技术的机制（ISO/IEC13888-3：1997）。
智能用电互动领域，系统数据接口主要采用信息加密技术实现安全防护。采用的信息加密技术包括对称密钥密码技术和公开密钥密码技术。对称密钥密码技术采用的对称密钥加密算法推荐选用国密SM1算法，公开密钥密码技术采用的非对称密钥加密算法推荐选用RSA（1024bit以上）。在实际工程应用过程中，智能用电互动有不同等级的安全防护需求，电力内网与外网相互隔离。电力外网按照国家要求采用国密SM1算法或RSA（1024bit以上）在某些应用场合满足安全防护要求，但在某些应用场合还需要在对国密SM1算法或RSA（1024bit以上）在进行非对称加密；电力内网需要使用简单、稳定的加密算法，而复杂的加密算法往往需要大量的计算能力和能量，不适用于大规模智能电网部署。
扰码是把一个码元序列变换为另一个统计性质更完善的码元序列的过程，其目的是抑制线路码中的长连“0”和长连“1”，便于从线路信号中提取时钟信号，保证接收机能提取到位定时信号，使加扰后的信号频谱更能适合基带传输；数学中群、环、域概念，是描述加扰码和去扰码的工具，生成多项式是其表述。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种用于智能用电互动的非对称加密方法，发送端生成私有密钥，由所述私有密钥生成公开密钥，用所述私有密钥对明文数据进行加密生成密文数据，对所述密文数据和所述公开密钥分别进行加扰码处理后得到带扰码密文数据和带扰码公开密钥，通过传输通道传递至接收端；
所述私有密钥和公开密钥之间按照相同的计算规则互相生成；
接收端对收到的所述带扰码密文数据和所述带扰码公开密钥数据进行去扰码处理，还原出密文数据和所述私有密钥对应的公开密钥，利用所述公开密钥生成原私有密钥后，用所述私有密钥对所述密文数据解密后还原出明文数据。
本发明提供的第一优选实施例中：所述发送端生成所述私有密钥的方法为：通过随机源产生随机序列，根据所述随机序列从私有密钥池中随机地选取所述私有密钥。
本发明提供的第二优选实施例中：所述私有密钥和所述公开密钥之间互相生成的计算规则为：对所述十进制私有密钥或者公开密钥进行因数分解，对因数分解后所有正的真因数进行求和，以和数作为相应的所述公开密钥或者私有密钥。
本发明提供的第三优选实施例中：所述发送端对所述密文数据或公开密钥进行加扰码处理的方法为：对所述密文数据或公开密钥以8位为一组进行分组，对分组后的所述密文数据或公开密钥进行扰码处理，得到带扰码密文数据或带扰码公开密钥，扰码生成多项式为g(x)＝x7+x4+1；
所述接收端对收到的所述带扰码密文数据或带扰码公开密钥进行去扰码处理，扰码生成多项式为g(x)＝x7+x4+1，再进行每组8位的分组处理。
本发明提供的第四优选实施例中：所述带扰码密文数据及带扰码公开密钥的传输通道包括：
租用公用无线网、租用公用有线网、电力专用无线网和电力专用有线网；
所述租用公用无线网包括2G、3G、4G和5G；所述租用公用有线网包括以太网通道和2Mbps通道；所述电力专用无线网包括TD-LTE230MHz、WiMAX230MHz和McWill；所述电力专用有线网包括电力线载波通信（PLC）、xPON、SDH/MSTP、OTN和PTN。
本发明提供的第五优选实施例中：所述发送端的所述私有密钥池由长度7位的58个十进制数组成，包括：1077890，1154450，1156870，1175265，1185376，1280565，1328470，1358595，1392368，1466150，1468324，1511930，1669910，1798875，2082464，2236570，2652728，2723792，2728726，2739704，2802416，2803580，3276856，3606850，3786904，3805264，4238984，4246130，4259750，4482765，4532710，4604776，5123090，5147032，5232010，5357625，5385310，5459176，5726072，5730615，5864660，6329416，6377175，6955216，6993610，7275532，7288930，7489112，7577350，7677248，7800544，7850512，8262136，8619765，9071685，9199496，9339704，9363584。
本发明提供的第六优选实施例中：所述加密方法单独使用或者与其它的加密方法组合使用。
本发明提供的第七优选实施例中：所述加密方法与其它的加密方法组合使用包括：对所述明文数据进行国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密，使用所述加密方法对所述的国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥进行加密。
本发明提供的第八优选实施例中：所述加密方法与其它的加密方法组合使用包括：对所述明文数据进行国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密，使用所述加密方法对所述的已加密的明文数据进行再加密。
本发明提供的第九优选实施例中：所述加密方法与其它的加密方法组合使用包括：对所述明文数据进行国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密，使用所述加密方法对所述的国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥及对应已加密的明文数据进行再加密。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种用于智能用电互动的非对称加密方法，数据发送端和接收端可以按照相同的规则由私有密钥生成公开密钥或者由公开密钥生成私有密钥，不用区分接收端和发送端，接收端不需要事先知道发送端的公开密钥，减少信息交互的流程和时间，同时减少了解密时间。
2、发送端对数据进行扰码处理后发送给接收端，接收端进行相应的去扰码处理，扰码处理使加密信息具有更强的迷惑性，增加了攻击者的破译程度，同时便于通信信道传输。
3、所述加密方法能单独使用，也能与其它的加密方法组合使用，能够满足实际工程应用过程中智能用电互动不同等级的安全防护需求。电力内网与外网相互隔离，电力内网信息需要简单快速的加密时可单独使用本发明；电力外网信息，进行了国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密后，若有更高等级的安全防护需求，组合1：使用本发明的方法，再对所述国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥进行加密；组合2：使用本发明的方法，再对所述已加密的明文数据进行再加密；组合3：使用本发明的方法，再对所述国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥及对应已加密的明文数据进行再加密。如此，就能满足智能用电互动实际工程应用过程中不同等级的安全防护需求，产生6个等级的私密性安全防护：
等级1——电力内网信息使用本发明的方法加密；
等级2——电力内网信息不加密；
等级3——电力外网信息用国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密后，使用本发明的方法再对所述国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥及对应已加密的明文数据进行再加密；
等级4——电力外网信息用国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密后，使用本发明的方法再对对应所述已加密的明文数据进行再加密；
等级5——电力外网信息用国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密后，使用本发明的方法再对所述国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥进行加密；
等级6——电力外网信息用国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密。
4、建设智能电网是国际电力工业积极应对未来挑战的共同选择，在智能用电互动领域，电网与用户互动的过程中（例如用电信息采集、负荷控制、智能用电互动管理与服务等业务应用场景），敏感信息在信道传输的路途中容易被窃听、拦截或篡改，对通信信道中信息传递的安全性提出了挑战。其数据和/或控制命令信息有着多种不同等级的安全防护需求，本发明提供的方法兼顾简单与安全、快速与私密，能在智能用电互动领域工程使用，并能产生实际安全性效果。
附图说明
如图1所示为本发明提供的一种用于智能用电互动的非对称加密方法的实施例一流程图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明提供一种用于智能用电互动的非对称加密方法，发送端用随机序列生成私有密钥，用该私有密钥对明文数据进行加密得到密文数据，由该私有密钥生成公开密钥，密文数据和公开密钥经过扰码处理后得到带扰码密文数据和带扰码公开密钥，通过传输通道传递至接收端；接收端对带扰码密文数据和带扰码公开密钥进行去扰码处理，得到相应的密文数据和公开密钥，利用该公开密钥计算生成私有密钥，利用该私有密钥对该密文数据进行解密得到明文数据；该私有密钥和公开密钥之间按照相同的计算规则互相生成。本发明提出的一种非对称加密方法兼顾简单与安全、快速与私密，在工程使用中能产生实际安全性效果；扰码处理使加密信息具有更强的迷惑性，增加了攻击者的破译难度，且便于通信信道传输。
实施例一：
本发明提供的一种用于智能用电互动的非对称加密方法的实施例一中，如图1所示为该实施例的流程图。该实施例中：
1.1明文数据，智能用电互动信息（对应等级1），或者国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥及对应已加密的明文数据（对应等级3），或者国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥已加密的明文数据（对应等级4），或者国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥（对应等级5）；
1.2加密，利用“1.5私有密钥”的私有密钥对“1.1明文数据”的数据进行加密；
1.3密文数据，对密文数据以8位为1组进行分组；
1.4加干扰码，对分组后的密文数据进行扰码处理，扰码生成多项式为g(x)＝x7+x4+1，x为数学群环域中的变元或称未定元；
1.5私有密钥，给“1.2加密”及“1.6公开密钥”，按照一定方法生成私有密钥：由随机源产生的随机序列从私有密钥池中选取出私有密钥，发送端私有密钥池包括长度7位的58个十进制数为私有密钥（1077890，1154450，1156870，1175265，1185376，1280565，1328470，1358595，1392368，1466150，1468324，1511930，1669910，1798875，2082464，2236570，2652728，2723792，2728726，2739704，2802416，2803580，3276856，3606850，3786904，3805264，4238984，4246130，4259750，4482765，4532710，4604776，5123090，5147032，5232010，5357625，5385310，5459176，5726072，5730615，5864660，6329416，6377175，6955216，6993610，7275532，7288930，7489112，7577350，7677248，7800544，7850512，8262136，8619765，9071685，9199496，9339704，9363584）；
1.6公开密钥，利用私有密钥生成公开密钥，并以8位为1组进行分组；
1.7扰码，对分组后的公开密钥进行加干扰码处理，干扰码生成多项式为g(x)＝x7+x4+1；
1.8传输通道，可以是：租用公用无线网（例如2G、3G、4G和/或5G等等）、租用公用有线网（例如以太网通道、2Mbps通道等等）、电力专用无线网（例如TD-LTE230MHz、WiMAX230MHz、McWill等等）或电力专用有线网（例如PLC、xPON、SDH/MSTP、OTN、PTN等等）；
1.9去扰码，对收到的密文数据进行去扰码处理，扰码生成多项式为g(x)＝x7+x4+1；
1.10密文数据，对密文数据进行每组8位的定位；
1.11解密，利用私有密钥进行解密；
1.12明文数据，解密后还原为明文数据；
1.13去扰码，对收到的扰码公开密钥数据进行去扰码处理，扰码生成多项式为g(x)＝x7+x4+1；
1.14公开密钥，对公开密钥进行每组8位的定位；
1.15私有密钥，利用公开密钥生成私有密钥。
私有密钥和公开密钥之间互相生成的计算规则为：对十进制私有密钥或者公开密钥进行因数分解，对因数分解后所有正的真因数进行求和，以和数作为相应的公开密钥和私有密钥。
例如，发送端私有密钥（1077890）生成公开密钥（1099390）。私有密钥（1077890）的所有正的真因数为：1、2、5、10、11、22、41、55、82、110、205、239、410、451、478、902、1195、2255、2390、2629、4510、5258、9799、13145、19598、26290、48995、97990、107789、215578和538945，其和σ(1077890)=1+2+5+10+11+22+41+55+82+110+205+239+410+451+478+902+1195+2255+2390+2629+4510+5258+9799+13145+19598+26290+48995+97990+107789+215578+538945=1099390，即（1099390）为私有密钥（1077890）对应的公开密钥。
接收端公开密钥（1099390）生成私有密钥（1077890）。公开密钥（1099390）的所有正的真因数为：1、2、5、10、17、29、34、58、85、145、170、223、290、446、493、986、1115、2230、2465、3791、4930、6467、7582、12934、18955、32335、37910、64670、109939、219878和549695，其和σ(1099390)=1+2+5+10+17+29+34+58+85+145+170+223+290+446+493+986+1115+2230+2465+3791+4930+6467+7582+12934+18955+32335+37910+64670+109939+219878+549695=1077890，即（1077890）为公开密钥（1099390）对应的私有密钥。
加密方法能单独使用，也能与其它的加密方法组合使用，能够满足实际工程应用过程中智能用电互动不同等级的安全防护需求。电力内网与外网相互隔离，电力内网信息需要简单快速的加密时可单独使用本发明；电力外网信息，进行了国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密后，若有更高等级的安全防护需求，组合1：使用本发明的方法，再对所述国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥进行加密；组合2：使用本发明的方法，再对所述已加密的明文数据进行再加密；组合3：使用本发明的方法，再对所述国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥及对应已加密的明文数据进行再加密。如此，就能满足智能用电互动实际工程应用过程中不同等级的安全防护需求，产生6个等级的私密性安全防护：
等级1——电力内网信息使用本发明的方法加密；
等级2——电力内网信息不加密；
等级3——电力外网信息国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密后，使用本发明的方法再对所述国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥及对应已加密的明文数据进行再加密；
等级4——电力外网信息国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密后，使用本发明的方法再对所述已加密的明文数据进行再加密；
等级5——电力外网信息国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密后，使用本发明的方法再对所述国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）密钥进行加密；
等级6——电力外网信息国密算法（SM1、SM2、SM3或SM4）或国际算法（DES、3DES或RSA）加密。
实施例二：
某农村综合变压器用户的用电信息采集系统，远程通信通道采用电力专用无线网TD-LTE230MHz系统作为传输通道，解决远程自动报送的电能表计量信息的快速高效加密传输问题。
将远程自动报送的电能表计量信息加密的SM1（或RSA）密钥（对应等级5）作为明文数据，输入到本发明的系统。经过加密、扰码等处理后，采用电力专用无线网TD-LTE230MHz系统作为传输通道，传递至接收端，经过去扰码、解密等处理后，还原为明文数据：远程自动报送的电能表计量信息加密的SM1（或RSA）密钥。
实施例三：
某10kV专用变压器工商用户的用电情况监控系统，远程通信通道采用租用公用无线网3G系统作为传输通道，解决负荷控制、异常监测及防窃电报警等信息的加密用商用密钥SM1的快速高效加密传输问题。
将负荷控制、异常监测及防窃电报警等信息的加密用商用密钥SM1及对应已加密的明文数据（对应等级3）作为明文数据，输入到本发明的系统。经过加密、扰码等处理后，采用租用公用无线网3G系统作为传输通道，传递至接收端，经过去扰码、解密等处理后，还原为明文数据：负荷控制、异常监测及防窃电报警等信息的加密用商用密钥SM1及对应已加密的明文数据。
实施例四：
某智能小区用电互动化管理与服务系统，远程通信通道采用电力专用有线网（EPON+SDH/MSTP系统）及租用公用有线网以太网通道系统作为传输通道，解决对电力外网区的电网与用户的双向互动服务信息的加密用商用密钥SM1的快速高效加密传输问题。
将用SM1密钥已加密的双向互动服务信息（对应等级4）作为明文数据，输入到本发明的系统。经过加密、扰码等处理后，采用电力专用有线网（EPON+SDH/MSTP系统）及租用公用有线网以太网通道系统作为传输通道，传递至接收端，经过去扰码、解密等处理后，还原为明文数据：用SM1密钥已加密的双向互动服务信息。
实施例五：
某分布式电源系统接入智能电网用电侧，通信通道采用电力专用有线网SDH/MSTP，解决该分布式电源系统的控制和管理信息的私密问题。
将该分布式电源系统的控制和管理信息（对应等级1）作为明文数据，输入到本发明的系统。经过加密、扰码等处理后，采用电力专用有线网（EPON+SDH/MSTP系统）及租用公用有线网以太网通道系统作为传输通道，传递至接收端，经过去扰码、解密等处理后，还原为明文数据：分布式电源系统的控制和管理信息。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种用于智能用电互动的非对称加密方法，其特征在于，发送端生成私有密钥，由所述私有密钥生成公开密钥，用所述私有密钥对明文数据进行加密生成密文数据，对所述密文数据和所述公开密钥分别进行加扰码处理后得到带扰码密文数据和带扰码公开密钥，通过传输通道传递至接收端；
所述私有密钥和公开密钥之间按照相同的计算规则互相生成；
接收端对收到的所述带扰码密文数据和所述带扰码公开密钥数据进行去扰码处理，还原出密文数据和所述私有密钥对应的公开密钥，利用所述公开密钥生成原私有密钥后，用所述私有密钥对所述密文数据解密后还原出明文数据；
所述发送端对所述密文数据或公开密钥进行加扰码处理的方法为：对所述密文数据或公开密钥以8位为一组进行分组，对分组后的所述密文数据或公开密钥进行扰码处理，得到带扰码密文数据或带扰码公开密钥，扰码生成多项式为g(x)＝x7+x4+1；
所述接收端对收到的所述带扰码密文数据或带扰码公开密钥进行去扰码处理，扰码生成多项式为g(x)＝x7+x4+1，再进行每组8位的分组处理。
2.如权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述发送端生成所述私有密钥的方法为：通过随机源产生随机序列，根据所述随机序列从私有密钥池中随机地选取所述私有密钥。
3.如权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述私有密钥和所述公开密钥之间互相生成的计算规则为：对十进制私有密钥或者公开密钥进行因数分解，对因数分解后所有正的真因数进行求和，以和数作为相应的所述公开密钥或者私有密钥。
4.如权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述带扰码密文数据及带扰码公开密钥的传输通道包括：
租用公用无线网、租用公用有线网、电力专用无线网和电力专用有线网；
所述租用公用无线网包括2G、3G、4G和5G；所述租用公用有线网包括以太网通道和2Mbps通道；所述电力专用无线网包括TD-LTE 230MHz、WiMAX 230MHz和McWill；所述电力专用有线网包括PLC、xPON、SDH/MSTP、OTN和PTN。
5.如权利要求2所述的加密方法，其特征在于，所述发送端的所述私有密钥池由长度7位的58个十进制数组成，包括：1077890，1154450，1156870，1175265，1185376，1280565，1328470，1358595，1392368，1466150，1468324，1511930，1669910，1798875，2082464，2236570，2652728，2723792，2728726，2739704，2802416，2803580，3276856，3606850，3786904，3805264，4238984，4246130，4259750，4482765，4532710，4604776，5123090，5147032，5232010，5357625，5385310，5459176，5726072，5730615，5864660，6329416，6377175，6955216，6993610，7275532，7288930，7489112，7577350，7677248，7800544，7850512，8262136，8619765，9071685，9199496，9339704，9363584。
6.如权利要求1所述的加密方法，其特征在于，所述加密方法单独使用或者与其它的加密方法组合使用。
7.如权利要求6所述的加密方法，其特征在于，所述加密方法与其它的加密方法组合使用包括：对所述明文数据进行国密算法或国际算法加密，使用所述加密方法对所述的国密算法或国际算法密钥进行加密；
所述国密算法包括SM1、SM2、SM3和SM4，所述国际算法包括DES、3DES和RSA。
8.如权利要求6所述的加密方法，其特征在于，所述加密方法与其它的加密方法组合使用包括：对所述明文数据进行国密算法或国际算法加密，使用所述加密方法对已加密的明文数据进行再加密；
所述国密算法包括SM1、SM2、SM3和SM4，所述国际算法包括DES、3DES和RSA。
9.如权利要求6所述的加密方法，其特征在于，所述加密方法与其它的加密方法组合使用包括：对所述明文数据进行国密算法或国际算法加密，使用所述加密方法对所述的国密算法或国际算法密钥及对应已加密的明文数据进行再加密；
所述国密算法包括SM1、SM2、SM3和SM4，所述国际算法包括DES、3DES和RSA。
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