CN103647788B - 一种智能电网中的节点安全认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种智能电网中的节点安全认证方法，包括按照层次结构部署智能电网节点认证系统中的各节点，预置对称密钥；对智能电网节点认证系统进行初始化；对新加入采集节点层的节点进行认证；对各个服务器进行认证；通过认证的节点与电力服务器进行信息的交互，完成节点安全认证。本发明将智能电网节点认证系统结构分层，提高了系统网络部署的简便性和可扩展性，同时，系统增加了验证服务器，在一定程度上减少了节点或电力服务器身份认证的频度，提高了整个系统的效率。本发明除了能够验证节点与电力服务器的身份，同时还能保障认证过程安全、高效，增强整个系统的运行流畅度。

Description

一种智能电网中的节点安全认证方法

技术领域

本发明属于安全认证技术领域，涉及电力系统中的智能电网中节点与服务器的安全认证技术，具体涉及一种智能电网中的节点安全认证方法。

背景技术

智能电网作为未来电力系统的主流，越来越受到人们的关注。建设信息化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网不仅要求健壮的网络通信支持，分布式状态可感知能力、先进的电表计量基础设施以及实时的需求响应等还要求该系统在确认通信的过程中处于安全状态，是确保智能电网在日后走入寻常百姓家的关键技术点。

中国智能电网建设提出了以特高压电网为骨干网架，以坚强智能电网为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含电力系统的发电、输电、配电、用电和调度各个环节的发展路线，强调各个领域电力流、信息流和业务流的融合，因此，网络结构如此复杂、服务业务如此宽泛的智能电网体系需要网络内各个节点和服务器在请求以及应答消息的时候处于安全可靠的运行状态。智能电网的网络通信平台为电力行业的生产运行、输电、配电、市场业务等多个领域提供服务，需求的多样性决定了其构成的复杂性，智能电网的网络支撑体系是融合了多种网络技术的综合平台，有多种网络成分构成，既需要有线网络传输，又需要无线传感技术的支持，既依赖于企业专网，也离不开因特网，因此在如此复杂的网络结构中如何保障设备的接入安全，以及信息服务的安全可靠运行成为智能电网技术难题。

随着电网运行模式和服务模式的转变，获取智能电网服务的用户量以及数据交互信息量增加，伴随着智能电网覆盖范围的增大，部署在电网中的节点数量以及分布在各个地区的服务器数量都会相应的增大，如何在保证复杂的网络结构、传输环境中安全的为用户提供可靠的服务是智能电网持续发展的重要问题。如果不能解决节点以及服务器在每次请求/提供服务的时候处于安全状态，用户最基本的安全将得不到保障。由于智能电网的节点以及服务的安全认证技术还不够完善，现有的安全认证技术可能存在以下问题：（1）无线信道的开放性特征使得安装在特定环境中的节点被顶替的可能性变大，恶意攻击者假冒节点的可能性增大，攻击者可能会根据该节点的功能特点、服务类型窃取合法用户的服务，为用户的生活带来不必要的麻烦。（2）在通信过程中，节点与服务器一直处于被要求认证的状态将增大服务通信量为本来就有限的带宽带来更重的负担，增大交互信息服务成本，缩减节点寿命，降低服务器的服务效率。（3）节点与电网服务器的安全认证大多数是通过相互认证完成，一般情况下效率不高，安全性也不能得到很好的保障。

目前，传统的节点安全认证技术可以通过传统的PKI身份认证模型来完成，但由于传统的PKI模型存在以下问题：密钥验证与证书有效性验证服务是分离的，将导致验证结果的信任度下降；支持多家认证的可实施性差，在复杂的电力体系网络结构中不适合该模型的生存。为提供给用户安全可靠的电力服务，一种有效的保障节点与服务器安全的认证机制是未来电网发展的需求。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种智能电网中的节点安全认证方法，该方法在接入网络初始阶段进行认证，通过节点加入网络的初始化节点信息，可以实现智能电网中各个节点和服务器的初始化安全，过程既简单且易于实现。

为了实现上述目的，本发明提供了一种智能电网中的节点安全认证方法，包括如下步骤：

S1：按照层次结构部署智能电网节点认证系统，所述智能电网节点认证系统包括位于采集节点层的节点（如家具控制器装置、燃气监控装置、视频点播终端和IP电话等），验证服务器、认证服务器和电力服务器，所述采集节点层与所述验证服务器相连，所述验证服务器与所述电力服务器相连，所述验证服务器与所述认证服务器相连，所述采集节点层与所述验证服务器预置对称密钥，验证服务器与电力服务器预置对称密钥；认证服务器与验证服务器预置对称密钥算法（为通用的对称密钥算法）；

S2：对所述智能电网节点认证系统进行初始化；

S3：对新加入采集节点层的节点进行认证；

S4：对所述各个服务器进行认证；

S5：通过认证的新加入的节点与电力服务器进行信息的交互，完成节点安全认证。

本发明通过对节点与电力服务器的初始化入网认证方法来实现节点与电力服务器的安全通信基础保障，为实现安全通信服务提供第一层安全防护，提高了系统的基础安全性与检测高效性。

S21：在新加入的节点中植入与认证服务器相互匹配的解密密钥、认证服务器在智能电网节点认证系统中的唯一身份识别码以及智能节点通用密码生成程序，新加入的节点接入智能电网节点认证系统之后将广播入网成功的信息；

S22：在认证服务器得知有新加入的节点入网后将向传输网络发送获取新加入节点信息的要求；

S23：接收步骤S22所述要求的节点将按照认证服务器的要求发送包含密码在内的个体入网信息；

S24：认证服务器收到个体入网信息后与自身生成的密码匹配，若匹配成功，则将该节点信息发送给验证服务器；

S25：验证服务器接收到该节点信息之后将该节点信息加入到可信表里,并向电力服务器发送节点安全信息。

本发明通过在认证服务器与验证服务器共同服务来保障节点和服务器的安全性，采用加密服务信息内容来保护用户的合法权益，通过设置用户请求信息服务等级来确保用户得到快捷的高效的服务体验。

本发明设置的节点通信服务需要经过的请求步骤为：

S51：由需要请求服务的节点向认证服务器发送安全验证请求；

S52：接收到安全验证请求的认证服务器将根据节点的信息判断需要的电力服务器类型，并向该电力服务器发送验证安全的要求；

S53：接收到验证安全要求的电力服务器将发送信息给认证服务器；

S54：认证服务器在接收到信息之后，将信息进行认证；

S55：认证服务器在确认节点与电力服务器安全之后，将信息发送给验证服务器进行再次验证；

S56：在确认安全之后，验证服务器将发送确认连接信息，节点与电力服务器可以进行通信连接，具体消息格式为，其中，为服务信息内容，为服务信息等级，即需要服务的信息急缓程度描述，为需求通信的节点唯一身份识别码，为请求服务的有效生存期。

本发明利用验证服务器与认证服务器共存的机制，为智能电网提供了一种安全高效的节点安全认证方法。首先，该方法将节点与服务器的个体信息经过认证服务器的初始化鉴定，增加了接入网络的安全性保障，对以后节点与服务器间的服务安全提供最基本的保障。其次在平时的服务通信过程中，节点与服务器第一次通信将通过验证服务器与认证服务器的双重认证，在认证安全后的有效时间内将默认为节点与服务器处于安全状态，不需要再次认证，此方法将节约通信资源，降低服务成本，为实现高效节能通信提供有利条件。最后，在有效时间过去以后，服务器与节点之间继续保持服务状态的话，只需要通过匹配验证服务器的可信列表即可完成认证过程，这样符合人们对于服务高效率的需求。

认证服务器接收到个体入网信息后验证信息是否有效的方法为：使用认证服务器的密钥解密节点初始化消息，并将该信息的格式进行提取，与认证服务器自身要求的版本对比，是否一致，若一致，则证明信息有效，新加入节点初始化入网成功，否则无效，新加入节点初始化入网失败。

在本发明中对节点进行初始化的方法为：首先将验证服务器信息加入到该节点存储器中，并将与认证服务器匹配的密码机制安装在节点中；由验证服务器发送安全认证请求将新加入的节点加入服务的电力网络中，经过认证服务器认证后，将该节点信息加入到验证服务器的可信表里。

本发明认证服务器发送给新加入的节点的请求入网消息格式设置为，其中，为认证服务器在智能电网节点认证系统中的唯一身份识别码，表示认证服务器向新加入节点请求入网的需要获取的消息的内容，为认证服务器要求新加入节点回应的信息格式，为生成此消息的转发周期；节点接受到此消息之后，首先判断该消息是否已经过期，如果没有过期，该消息将被认证服务器检测其安全性，确认该节点安全以后，认证服务器将节点信息送入验证服务器，由验证服务器将该节点基本信息加入到可信列表里，即完成初始化认证过程。

具体地，在实现建立通信连接的环节中，首先由节点发送服务请求信息，并由请求节点将其个体信息发送给验证服务器查询该节点是否已经存在，历史服务信息是否安全可靠，认证服务器确认节点的安全性之后，将节点信息发送给认证服务器进行再次认证，认证服务器确认此节点为安全节点时，将发送确认通信消息给请求节点和电力服务器。

本发明的确认消息格式为，其中为要建立通信连接的通信器件信息，其中为新加入节点在该网络中的唯一身份识别码，为电力服务器在该网络中的唯一身份识别码，为该确认信息的有效期，即通信安全有效期，即根据预置的密码生成程序生成的包含（、）信息的加密信息，节点与电力服务器在此时间段内进行通信将不需要再次安全认证。

本发明利用节点与服务器放置相关的加密解密机制，将通信服务信息进行加密，并将各个通信器件的网内唯一识别码封装入通信消息阵列，用于验证消息的准确性，同时也可以实现消息的不可抵赖性。在设置通信信息的格式时，采用如下方法：，其中，为加密后的电网节点入网信息，包含节点的服务类型信息，为该节点要求的服务等级。在节点发送了信息之后，该信息首先由服务器检测信息服务等级，根据服务等级类型将消息分派到相应的等待服务的消息排队阵列。

本发明是根据智能电网网络特性和服务特征，用简洁的初始化节点认证方法提供了确保节点与服务器在通信中节点与服务器处于安全且通信能耗较低的安全认证方案。验证服务器与认证服务器的双重认证确保通信节点的安全性，在通信过程中，将通信节点不可否认的标识信息加入到通信消息中，即可以保障为验证安全性提供依据，同时也为通信双方的不可抵赖性提供保障，确保电力服务系统的安全运行。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的通信连接建立图；

图2是本发明的节点初始化图；

图3是本发明的节点初始化流程图；

图4是本发明的通信请求安全认证时序图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“部署”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了智能电网中的节点安全认证方法，其包括如下步骤：

第一步：按照用户需求及智能电网的通信网络特点部署节点，该节点用于采集用户的消费信息及获取电力服务器提供的信息及服务。电力服务器是提供所有相关服务的核心器件，其部署位置由电力公司决定。认证服务器与验证服务器是为本文方法提供保障的核心组成部分，其部署应将保障电力服务器的安全为首要任务。如图1所示，智能电网系统中包含采集节点层的智能节点、认证服务器与验证服务器、电力服务器。智能节点不仅拥有数据寻出单元，数据加解密单元、提供访问和认证的接口，用于接收服务器信息、存储加解密机制、及为服务器提供采集到的用户信息等功能。

第二步：智能节点进行初始化。在本实施方式中，对新加入智能电网系统的节点进行初始化的步骤为：

S21：首先在要连入服务网络的节点中植入与认证服务器相互匹配的解密密钥、认证服务器在电力网络专用系统中的唯一身份识别码以及智能节点通用密码生成程序，节点接入网络之后将广播入网成功的信息；

S22：在认证服务器端得知有新节点入网后将向传输网络发送获取新加入节点信息的要求；

S23：接收到服务器信息的新节点将按照认证服务器的要求发送包含密码在内的个体入网信息；

S24：认证服务器收到信息后与自身生成的密码匹配，若匹配成功，则将该节点信息发送给验证服务器；

S25：验证服务器接收到该节点消息之后将该节点信息加入到可信表里,并向电力服务器发送节点安全信息；

在本发明的一种优选实施方式中，首先将电力专用服务器的信息及认证服务器、验证服务器在电力专用网络中的唯一身份识别码存储到数据存储器中。在节点部署到网络中之后，由认证服务器向新加入的节点发送入网请求消息，该消息的格式为，在新加入的节点接收到该消息之后首先用预置的加解密机制对消息进行解密，在获取的解密信息中包含认证服务器在电力专用网络的唯一身份识别码，节点将会对该身份识别码与预置在数据存储单元的识别码进行匹配，若匹配成功则验证消息的来源可靠。

在本发明的一种优选实施方式中，所述节点向认证服务器反馈的入网消息的具体格式为，为加密后的电网节点入网信息，包含节点的服务类型信息，为该节点的服务信息等级。为用户请求的服务对回应时间的要求，在电力服务系统中，存在家庭预警服务系统，即当用户遇到潜在的安全危机的时候，即可以发送紧急服务信息，此时发送的信息将会设置的等级为较高级，在服务器接收到该信息之后将会优先处理。在服务器接收到反馈信息之后，首先对该信息进行解密，然后为进一步确认信息的可靠性将会对该信息格式进行检测。在初步验证完之后，认证服务器将对其进行细致的认证，当认证服务器确认该节点安全之后将该节点信息发送给验证服务器。验证服务器在接收到节点信息后，将该节点加入到可信列表里。验证服务器将给节点和电力服务器各发送一条认证安全信息，允许该节点与电力服务器进行通信获取服务。其流程及信息格式如图2所示。

第三步：所述的通过认证的节点与应用服务器可以进行信息的交互，完成整个节点的安全认证步骤为：

S51：由需要请求服务的节点向认证服务器发送安全验证请求；

S52：接收到服务请求的认证服务器将根据节点的信息判断需要的电力服务器类型，并向该电力服务器发送验证安全的要求；

S53：接收到验证要求的电力服务器将发送信息给认证服务器；

S54：认证服务器在接收到信息之后，将信息进行认证；

S55：认证服务器在确认节点与服务器安全之后，将信息发送给验证服务器进行再次验证；

S56：在确认安全之后，验证服务器将发送确认连接信息，节点与服务器将可以进行通信连接。

在节点与服务器接收到从验证服务器发送的认证安全信息之后，即可以进行安全通信服务。安全认证时序流程如图4所示。在每一次的服务开始前，节点都要发送认证消息确认处于通信状态的节点此刻是安全的，即身份安全即通信信道安全（根据消息匹配程度进行验证）。每次通信的开始都由需求服务的节点首先发送消息给认证服务器，认证服务器将根据接收到的消息确认需要建立连接的电力服务器类型，并将请求验证安全的要求发送给相应的电力服务器。认证服务器接收到电力服务器发送的包含自身信息的消息之后将对其进行认证，在认证安全之后把解密的信息发送给验证服务器检测其历史记录是否同样安全可信。在验证服务器确认不存在安全隐患的情况下，将发送反馈消息给请求节点和电力服务器，该消息的具体格式为，该信息包含请求节点的唯一身份识别码和对应的电力服务器唯一身份识别码以及该消息的有效生存周期。

在请求节点和电力服务器接收到反馈回来的安全确认信息之后，通信连接即可以建立。此次建立连接的有效时间为反馈回来的消息有效期，在建立连接时间段内的通信不需要再次验证节点与电力服务器的安全性。当时间已过，而节点与服务器依然需要建立服务连接的时候，将会想验证服务器发送请求确认安全信息，本次验证节点发送的消息格式为，电力服务器发送的消息格式为，为该信息的生存周期。节点与电力服务器的再次安全认证将只通过验证服务器验证，验证服务器以可信表里记录的服务信息作为参考，对节点和服务器进行安全的评估认证，认证安全之后将确认信息发送给请求节点和相应的电力服务器。此方法在充分保证与电力服务器安全的基础上，将通信量降低到最小，并把回复相应时间降到最低，达到用户对通信服务高效性和资源节约型的要求，符合资源优化、服务人性化的目标。

本发明基于智能电网服务特性和网络特征，用简洁的节点安全认证方法提供了一种方便操作并且能够保障智能电网用户服务安全以及部署在用户家中的节点安全且能耗较低的节点安全认证方法。该方案部署方便且易于扩展。本发明不同于其他的节点认证方法，对于正在进行通信服务的节点与电力服务器也有一定的认证方法，使得无论是初始化过程中的新加入节点还是处于工作中的节点在安全方面都得到相应的检测，对于保障节点和服务器的安全提供有力的依据，便于对隐患节点的查找和替换，符合智能电网对用户安全的保证及用户对服务的安全需求特性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种智能电网中的节点安全认证方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：按照层次结构部署智能电网节点认证系统，所述智能电网节点认证系统包括位于采集节点层的节点、验证服务器、认证服务器和电力服务器，所述采集节点层与所述验证服务器相连，所述验证服务器与所述电力服务器相连，所述验证服务器与所述认证服务器相连，所述采集节点层与所述认证服务器预置对称密钥，验证服务器与电力服务器预置对称密钥；认证服务器与验证服务器预置对称密钥；

S2：对所述智能电网节点认证系统进行初始化；

S3：对新加入采集节点层的节点进行认证；

S4：对所述各个服务器进行认证；

S5：通过认证的新加入的节点与电力服务器进行信息的交互，完成节点安全认证；

其中，对所述智能电网节点认证系统进行初始化的步骤为：

S21：在新加入的节点中植入与认证服务器相互匹配的解密密钥、认证服务器在智能电网节点认证系统中的唯一身份识别码以及智能节点通用密码生成程序，新加入的节点接入智能电网节点认证系统之后将广播入网成功的信息；

S22：在认证服务器得知有新加入的节点入网后将向传输网络发送获取新加入节点信息的要求；

S23：接收步骤S22所述要求的节点将按照认证服务器的要求发送包含密码在内的个体入网信息；

S24：认证服务器收到个体入网信息后与自身生成的密码匹配，若匹配成功，则将该节点信息发送给验证服务器；

S25：验证服务器接收到该节点信息之后将该节点信息加入到可信表里,并向电力服务器发送节点安全信息。

2.根据权利要求1所述一种智能电网中的节点安全认证方法，其特征在于，认证服务器接收到个体入网信息后验证信息是否有效的方法为：使用认证服务器的密钥K_sk解密节点初始化消息UEN_ATNA，并将该信息的格式进行提取，与认证服务器自身要求的版本对比，是否一致，若一致，则证明信息有效，新加入节点初始化入网成功，否则无效，新加入节点初始化入网失败。

3.根据权利要求1所述一种智能电网中的节点安全认证方法，其特征在于，所述认证服务器发送信息的具体格式为M_rq＝{K_sk(UEN_AS，NI_rq),I_fm,T’_m}，其中，UEN_AS为认证服务器在智能电网节点认证系统中的唯一身份识别码，NI_rq表示认证服务器向新加入节点请求入网的需要获取的消息的内容，I_fm为认证服务器要求新加入节点回应的信息格式，T’_m为生成此消息的转发周期，K_sk为密钥。

4.根据权利要求1所述一种智能电网中的节点安全认证方法，其特征在于:新加入节点接收到由验证服务器发送的要求入网验证身份的信息后，首先根据新加入节点自己系统内预置的密钥解密验证信息的正确性，然后将解密后的信息内部包含的认证服务器的UEN是否与预置的相同，相同则匹配成功；成功后的新加入节点将根据M_rq的信息内容确定需要发送信息的内容以及发送的格式要求，其中格式为M_rp＝{K_sk(UEN_ATNA,I_ATNA),SL,T_m}，其中，K_sk(UEN_ATNA,I_ATNA)为加密后的节点入网信息，I_ATNA包含该节点的服务类型信息，SL为该节点的服务信息类型等级，T_m为该信息的有效时间段。

5.根据权利要求1所述一种智能电网中的节点安全认证方法，其特征在于，所述完成节点的安全认证步骤为：

S51：由需要请求服务的节点向认证服务器发送安全验证请求；

S52：接收到安全验证请求的认证服务器将根据节点的信息判断需要的电力服务器类型，并向该电力服务器发送验证安全的要求；

S53：接收到验证安全要求的电力服务器将发送信息给认证服务器；

S54：认证服务器在接收到信息之后，将信息进行认证；

S55：认证服务器在确认节点与电力服务器安全之后，将信息发送给验证服务器进行再次验证；

S56：在确认安全之后，验证服务器将发送确认连接信息，节点与电力服务器进行通信连接。

6.如权利要求5所述一种智能电网中的节点安全认证方法，其特征在于，所述需要请求服务的节点进行数据采集以及传输的工作，当验证服务器接收到节点发来的请求服务信息时，首先对信息进行解密，根据密码是否匹配判断节点是否合法，若节点验证通过则将密码匹配后的数据置入发送队列等待转发。

7.如权利要求5所述一种智能电网中的节点安全认证方法，其特征在于：所述节点与电力服务器在经过认证服务器验证安全之后，将接收到从认证服务器反馈回来的允许节点与电力服务器间的通信许可确认信息；认证服务器发送给节点与电力服务器的通信许可确认信息具体格式为M_ccm＝{K_sk(UEN_node,UEN_es),T_m}，(UEN_node,UEN_es)为要建立通信连接的通信器件信息，其中UEN_node为新加入节点在该网络中的唯一身份识别码，UEN_es为电力服务器在该网络中的唯一身份识别码，T_m为该确认信息的有效期，K_sk即根据预置的密码生成程序生成的包含UEN_node和UEN_es信息的加密信息。

8.如权利要求书5所述一种智能电网中的节点安全认证方法，其特征在于：所述节点与电力服务器进行通信连接后，节点与电力服务器之间的通信在未来的T_m时间内处于安全通信状态，即T_m时间段内不用每次通信都经过认证服务器来确认节点与电力服务器的安全性。

9.如权利要求书5所述一种智能电网中的节点安全认证方法，其特征在于：电力服务器在与节点通信的时候具体消息格式为M_sc＝{K_sk(UEN_node,I_s),SL,T_sm}，其中，I_s为服务信息内容，SL为服务信息等级，UEN_node为节点在电力服务系统中唯一的身份识别码，T_sm为请求服务的有效生存期。