CN107317673A - 一种智能电能表通信加密算法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种智能电能表通信加密算法，所述加密算法包括：将原始数据安全散列成256bits的消息摘要，将消息摘要的前20bits作为提取密钥的编号，生成密钥数据，将密钥数据扩展成16个子密钥，根据子密钥对64bits明文进行加密，得到64bits密文。本申请提供的加密算法能够充分满足报文传输在安全性、可靠性和实时性上的要求，计算简便，耗时较少，既可方便管理、提高互操作性，又能实现智能电能表报文的安全传输。还有本申请利用散列消息摘要的前20bits作为提取密钥的编号，能够降低密钥的管理和分配难度，提高加密算法的安全系数。

Description

一种智能电能表通信加密算法

技术领域

本发明涉及通信加密技术领域，尤其涉及一种智能电能表通信加密算法。

背景技术

信息技术推动了电力信息化建设的发展，智能电网作为当下的一种现代电网，它将信息流、业务流、电力流高度融合于一体，已经成为世界各国发展的新趋势、新潮流。智能电能表作为智能电网的关键部分，它能够及时反映最新的电力市场信息—电价、供应的电量和需求的电量。而电能表作为一个计量产品，其相关数据的安全传输和存储是电能表众多功能中的核心基础，只有确保数据的安全通讯才能使智能电网更加安全和可靠。

国内对智能电网安全性的研究也紧跟着国际的发展步伐，从一开始就高度关注IEC61850在电网和变电站系统中的应用，并在智能电网技术研究中取得了显著成果。目前智能电能表通信大多采用GCM算法进行加密，GCM是建立在128bits分组密钥基础上的一种高速认证加密算法，采用AES(高级加密标准)的CTR(计数器)模式进行加密和定义在GF(伽罗华域)上的GHASH(伽罗华散列)函数进行认证。GCM包含一种适用于 IEEEC 802.1AE协议的GCM高速硬件结构，可以同时处理多组数据，算法吞吐率达到 162.56Gbit/s。GCM算法包括GCM模式(加密认证模式)、GMAC模式(认证模式)和NULL 模式(非加密非认证模式)，智能电能表传输报文使用GCM算法的三种模式实施安全加密，在提高传输效率的同时大大提升了传输安全性。

但是，GCM算法较复杂，通过GCM算法对智能电能表传输报文进行加密时耗时较长，还有GCM高速硬件成本较高。

发明内容

本发明提供了一种智能电能表通信加密算法，以解决目前GCM加密算法计算复杂，耗时较长的问题。

本发明提供了一种智能电能表通信加密算法，所述算法包括：

将原始数据安全散列成256bits的消息摘要；

将所述消息摘要的前20bits作为提取密钥的编号，生成密钥数据；

将所述密钥数据扩展生成16个子密钥；

根据所述子密钥对64bits明文进行加密，得到64bits密文。

可选的，所述将原始数据安全散列成256bits的消息摘要,具体包括：

将原始数据划分成多个数据块，每个数据块的大小均为512bits，原始数据Y用划分后的数据块表示为Y＝N₁//N₂//...N_t；

分别对32bits的寄存器H0、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7进行初始化；

分别对初始化的32bits寄存器进行赋值，令A＝H0，B＝H1，C＝H2，D＝H3，E＝H4，F＝H5， G＝H6，H＝H7；

分别对32bits寄存器再次进行赋值，令H＝G，G＝F，F＝E，E＝D+T1，D＝C，C＝B，B＝A， A＝T1+T2；

分别对32bits寄存器再次进行赋值，令H0＝A+H0，H1＝B+H1，H2＝C+H2，H3＝D+H3，H4＝E+H4，H5＝F+H5，H6＝G+H6，H7＝H+H7；

最后输出H0//H1//H2//H3//H4//H5//H6//H7,得到256bits的消息摘要。

可选的，所述将所述密钥数据扩展生成16个子密钥，具体包括：

将所述密钥数据分成均等的A₀，B₀两部分；

对A₀，B₀分别进行迭代循环移位，分别得到A_i，B_i，其中，1≤i≤16；

分别对A_i，B_i进行压缩置换，得到48bits的子密钥K_i，其中，1≤i≤16。

可选的，所述根据所述子密钥对64bits明文进行加密，得到64bits密文，具体包括：

待加密的64bits数据经过64*64的数据块按位重新组合，输出重新组合后的64bits 数据，并将其均分为{L₀,R₀}两部分；

采用子密钥A_i，B_i分别对{L₀,R₀}进行加密，得到{L₁₆,R₁₆}；

对{L₁₆,R₁₆}进行初始置换的逆变换，得到64bits密文。

可选的，所述得到64bits密文后，之后包括：

向通信接收端发送认证消息，获取所述通信接收端的认证反馈消息；

对所述认证反馈消息进行解密；

当解密后的认证反馈消息与所述认证消息一致时，建立安全通信。

可选的，所述向通信接收端发送认证消息，具体包括：

将原始数据消息T进行安全散列，生成消息摘要SAC；

取所述消息摘要SAC前20bits作为密钥编号，提取密钥数据；

采用所述密钥数据对所述原始数据消息T进行加密，得到消息认证码MAC；

将所述消息摘要SAC与消息认证码MAC填充至安全报文的扩展字段，获得认证消息，并将所述认证消息发送至通信接收端。

可选的，所述对所述认证反馈消息进行解密，具体包括：

所述通信接收端接收所述认证消息，对所述消息摘要SAC进行安全散列；

取安全散列后数据的前20bits作为密钥编号，提取密钥；

采用所述密钥对所述消息认证码MAC进行解密，得到数据消息T’；

对所述数据消息T’进行安全散列,得到消息摘要SAC’。

可选的，所述当解密后的认证反馈消息与所述认证消息一致时，建立安全通信，具体包括：

当所述消息摘要SAC’与消息摘要SAC相同时，表明认证成功，建立安全通信。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明提供的智能电能表通信加密算法包括：将原始数据安全散列成256bits的消息摘要，将消息摘要的前20bits作为提取密钥的编号，生成密钥数据，将密钥数据扩展成16个子密钥，根据子密钥对64bits明文进行加密，得到64bits密文。本申请提供的加密算法能够充分满足报文传输在安全性、可靠性和实时性上的要求，既可方便管理、提高互操作性，又能实现智能电能表报文的安全传输。还有本申请利用散列消息摘要的前20bits作为提取密钥的编号，能够降低密钥的管理和分配难度，提高加密算法的安全系数。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种智能电能表通信加密算法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种智能电能表通信加密算法中寄存器K_t产生流程图；

图3为本发明实施例提供的一种智能电能表通信加密算法中S300的详细流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种智能电能表通信加密算法中S400的详细流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种智能电能表通信加密算法的认证方法原理图

图6为本发明实施例提供的一种智能电能表通信加密算法的认证方法流程示意图；

图7为本发明实施例提供的一种智能电能表通信加密算法的认证方法中S500的详细流程示意图；

图8为基于GCM算法的报文帧模型的结构图；

图9为本发明实施例提供的一种智能电能表通信加密算法的认证方法中S600的详细流程示意图。

具体实施方式

智能电能表是智能变电站关键技术之一，由测量单元、数据处理单元、通信单元等组成，具有电能量计量、数据处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能。目前智能电能表按用户类型可分为单相表和三相表；按缴费方式的不同，可分为本地表和远程表。单相表，顾名思义，就是普通用户所使用的220V电所用来计量的电能表；三相表，即工业上所使用的380V电所用来计量的电能表；本地表，即在用户方，可使用IC卡缴费的电能表；远程表，此种表一般不安装在用户范围，用户需去供电局缴费。

随着IEC61850标准的引入，解决了智能电能表之间互操作性一系列问题，但使用大量的现代新网络技术，给整个信息可靠性和安全性带来巨大的风险。

参见图1，为本发明实施例提供的智能电能表通信加密算法的流程图。

S100：将原始数据安全散列成256bits的消息摘要。

具体地，将任意的输入数据信息长度在小于264二进制位的情况下，将数据散列成256bits的消息摘要，实现过程具体如下：

S101：将原始数据划分成多个数据块，每个数据块的大小均为512bits，原始数据Y用划分后的数据块表示为Y＝N₁//N₂//...N_t。

具体地，将原始数据消息划分成多个数据块，每个数据块的大小都是512bits，若最后一个数据块不足512bits，则需要对该块进行消息填充，原始数据消息Y用划分后的数据块表示为Y＝N₁//N₂//...N_t。

S102：分别对32bits的寄存器H0、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7进行初始化.

S103：分别对初始化的32bits寄存器进行赋值，令A＝H0，B＝H1，C＝H2，D＝H3，E＝H4， F＝H5，G＝H6，H＝H7。

S104：分别对32bits寄存器再次进行赋值，令H＝G，G＝F，F＝E，E＝D+T1，D＝C，C＝B， B＝A，A＝T1+T2。

具体地，T1和T2分别根据公式(1)和公式(2)得到，分别是：

其中，式(1)中的K_t的获得方式如下：

将每块512bits的数据块N_j存入64个32bits的寄存器K_t里，其中，t由0到63。而

K_t具体产生的过程如图2所示：

其中，和分别由公式(4)和公式(5)计算得到。

S105：分别对32bits寄存器再次进行赋值，令H0＝A+H0，H1＝B+H1，H2＝C+H2，H3＝D+H3， H4＝E+H4，H5＝F+H5，H6＝G+H6，H7＝H+H7。

S106：最后输出H0//H1//H2//H3//H4//H5//H6//H7,得到256bits的消息摘要。

S200：将所述消息摘要的前20bits作为提取密钥的编号，生成密钥数据。

具体地，密钥采用将密钥分配和动态管理机制结合产生，采用主频为125MHz的HP9000/887服务器对含有104万多个密钥的密钥池进行编号，利用消息摘要的前20bits 作为提取密钥的编号，这样可以降低密钥的管理和分配难度，也提高了本申请所述加密算法的安全系数。

S300：将所述密钥数据扩展生成16个子密钥。

具体地，密钥一般为64bits，实际上只用到56bits，第8、16、24、32、40、48、 56、64bits是校验位。扩展生成子密钥的方法如图3所示。

S301：将所述密钥数据分成均等的A₀，B₀两部分。

具体地，将56bits输入密钥分成均等的A₀，B₀两部分，每部分为28bits，按一定的规律把64bits输入密钥的位置填入A₀，B₀相应的位置。如按表1规律进行：

表1

S302：对A₀，B₀分别进行迭代循环移位，分别得到A_i，B_i，其中，1≤i≤16。

具体地，A₀，B₀作为迭代的起始密钥，进行16次迭代，每次迭代都按一定规律循环左移。例如在第1次迭代时密钥循环左移1位，第3次迭代时密钥循环左移2位，如表2所示规律进行：

表2

S303：分别对A_i，B_i进行压缩置换，得到48bits的子密钥K_i，其中，1≤i≤16。

具体地，每次迭代后生成的两个28bits密钥按照一定规律填入相应位置进行一个56*48压缩置换，生成一个48bits的子密钥K_i。经过16次迭代后，最终形成16个子密钥。

S400：根据所述子密钥对64bits明文进行加密，得到64bits密文。

具体地，根据S300得到的16个不同的子密钥对64bits明文进行加密，得到64bits密文，具体步骤如图4所示：

S401：64bits明文经过64*64的数据块按位重新组合，输出重新组合后的64bits明文，并将其均分为{L₀,R₀}两部分。

具体地，以64bits为分组对数据进行加密，64bits一组的明文从算法的一端输入，64bits的密文从另一端输出，本申请提供的加密算法是一个对称算法，加密和解密用的是同一个算法。

64bits明文经过64*64(输入为64bits，输出也为64bits)的数据块按位重新组合，并把输出分为{L₀,R₀}两部分，每部分各长32bits。按位重新组合规律可采用表3的规律进行。

表3

S402：采用子密钥A_i，B_i分别对{L₀,R₀}进行加密，得到{L₁₆,R₁₆}。

具体地，{L₀,R₀}经过子密钥A₁，B₁加密变换得到新的64bits数据{L₁,R₁}，称为第一圈运算；再对{L₁,R₁}经过子密钥A₂，B₂加密变换得到{L₂,R₂}，重复操作一直到 {L₁₆,R₁₆}，共16圈。

S403：对{L₁₆,R₁₆}进行初始置换的逆变换，得到64bits密文。

通过加密算法对明文进行加密，但是进行安全通信前需要对其进行认证，只有认证成功才能进行安全通信，认证原理如图5所示。

认证方法流程如图6所示。

S500：向通信接收端发送认证消息，获取所述通信接收端的认证反馈消息。

具体地，对加密算法进行认证时，需要进行双侧认证，即智能电能表SM1向智能电能表SM2认证，认证成功后，智能电能表SM2向智能电能表SM1认证，当双侧均认证成功后，才可以建立安全通信。

以智能电能表SM1向智能电能表SM2认证为例，发送认证消息的具体步骤如图7所示：

S501：将原始数据消息T进行安全散列，生成消息摘要SAC。

S502：取所述消息摘要SAC前20bits作为密钥编号，提取密钥数据。

S503：采用所述密钥数据对所述原始数据消息T进行加密，得到消息认证码MAC。

S504：将所述消息摘要SAC与消息认证码MAC填充至安全报文的扩展字段，获得认证消息，并将所述认证消息发送至通信接收端。

具体地，IEC61850标准规定了GOOSE，SMV，MMS这3种报文的格式，并提出采用虚拟局域网(VLAN)技术和优先级技术来优化网络。IEC62351标准对GOOSE报文进行了扩展，充分使用了2个Reserved Field(保留字段)以及增加的Extension(扩展)字段，该标准推荐采用消息认证码(MAC)的方式来保证报文的完整性，但没有具体提出采用何种认证方案。根据建议，在20个字节的扩展字段中定义了2个字段：序列号(SN)字段、 MAC字段。前者占4个字节，主要对应GOOSE数据中的SeqNum，以方便GCM计算，后者为16个字节的验证码，因为16个字节的MAC能够提供最好的安全性。报文格式如下表所示，其中TPI表示传送编程接口；TCI表示终端控制接口；APDU表示应用协议数据单元。

基于GCM算法的扩展报文格式

在IEC61850标准扩展报文格式优点的基础上，设计了适合GCM算法处理的报文模型，如图8所示。通过重新定义了保留字段1，把保留字段1分为A、B两个部分，每个部分占一个字节。A表示扩展字段长度，B表示加密模式，通过两者不同的组合定义来确定报文是否需要加密和采用何种加密模式。

模型规定当A＝0时，B为任意值时，表示报文为原始报文，即不需要进行任何加密认证措施，以明文方式进行发送，选择GCM算法的NULL模式：当A＝20,表示此报文为扩展报文，且扩展字段大小为20个字节，此时定义B＝0表示扩展报文选择GCM认证模式，定义B＝255表示扩展报文选择GCM加密认证模式，0<B<255为预留字段。这样的定义使得智能电能表方便对不同报文进行分类处理，提高其灵活性。

对于智能电能表(Smart meter，简称SM)SM1，将长度为1224bits的原始数据消息T1进行安全散列计算，得到消息摘要SAC1，取消息摘要SAC1前20bits作为密钥的编号，提取密钥数据；利用提取的密钥数据对原始数据消息T1进行DES数据加密，得到消息认证码MAC1；然后将生成的消息摘要SAC1与消息认证码MAC1填充到安全报文的扩展字段，再将安全报文传送给智能电能表SM2。

S600：对所述认证反馈消息进行解密。

具体地，如图9所示，对认证反馈消息进行解密的详细步骤如下：

S601：所述通信接收端接收所述认证消息，对所述消息摘要SAC进行安全散列。

S602：取安全散列后数据的前20bits作为密钥编号，提取密钥。

S603：采用所述密钥对所述消息认证码MAC进行解密，得到数据消息T’。

S604：对所述数据消息T’进行安全散列,得到消息摘要SAC’。

具体地，智能电能表SM2接收到认证消息后，先对消息摘要SAC1进行安全散列，取其前20bits提取密钥；再利用密钥对消息认证码MAC1进行解密，得到原始数据消息T1，对其进行安全散列计算，得到消息摘要SAC2。

S700：当解密后的认证反馈消息与所述认证消息一致时，建立安全通信。

具体地，比较消息摘要SAC与解密后的消息摘要SAC2，若两者相同，则认为此次智能电能表SM1的认证成功，能确信是SM1发送的数据报文，并且数据完整未修改。

同理，再由智能电能表SM2向智能电能表SM1发送安全，让智能电能表SM1进行验证，证明智能电能表SM2认证成功，能确信是SM2发送的数据报文，并且数据完整未修改。

当两者都认证成功，则可以进行安全通信，接下来时间即为此次安全认证内的安全通信时段，可以发送GOOSE跳闸命令和合闸命令(GOOSE命令是IEC 61850标准规定的命令，是最后一步)，在这个安全通信时段里发送GOOSE报文会非常安全，从而保证了消息的机密性和完整性。

从上述实施例可以看出，本发明实施例针对智能电能表的特殊安全需求，设计了一种加密算法来实现报文安全传输的实现方式，并证明了其能够充分满足报文传输在安全性、可靠性和实时性上的要求，既可方便管理、提高互操作性，又能实现智能电能表报文的安全传输。还有本发明实施例提供的加密算法计算简便，耗时较少。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (8)

1.一种智能电能表通信加密算法，其特征在于，所述算法包括：

将原始数据安全散列成256bits的消息摘要；

将所述消息摘要的前20bits作为提取密钥的编号，生成密钥数据；

将所述密钥数据扩展生成16个子密钥；

根据所述子密钥对64bits明文进行加密，得到64bits密文。

2.如权利要求1所述的智能电能表通信加密算法，其特征在于，所述将原始数据安全散列成256bits的消息摘要,具体包括：

将原始数据划分成多个数据块，每个数据块的大小均为512bits，原始数据Y用划分后的数据块表示为Y＝N₁//N₂//...N_t；

分别对32bits的寄存器H0、H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7进行初始化；

分别对初始化的32bits寄存器进行赋值，令A＝H0，B＝H1，C＝H2，D＝H3，E＝H4，F＝H5，G＝H6，H＝H7；

分别对32bits寄存器再次进行赋值，令H＝G，G＝F，F＝E，E＝D+T1，D＝C，C＝B，B＝A，A＝T1+T2；

分别对32bits寄存器再次进行赋值，令H0＝A+H0，H1＝B+H1，H2＝C+H2，H3＝D+H3，H4＝E+H4，H5＝F+H5，H6＝G+H6，H7＝H+H7；

最后输出H0//H1//H2//H3//H4//H5//H6//H7,得到256bits的消息摘要。

3.如权利要求1所述的智能电能表通信加密算法，其特征在于，所述将所述密钥数据扩展生成16个子密钥，具体包括：

将所述密钥数据分成均等的A₀，B₀两部分；

对A₀，B₀分别进行迭代循环移位，分别得到A_i，B_i，其中，1≤i≤16；

分别对A_i，B_i进行压缩置换，得到48bits的子密钥K_i，其中，1≤i≤16。

4.如权利要求3所述的智能电能表通信加密算法，其特征在于，所述根据所述子密钥对64bits明文进行加密，得到64bits密文，具体包括：

64bits明文经过64*64的数据块按位重新组合，输出重新组合后的64bits明文，并将其均分为{L₀,R₀}两部分；

采用子密钥A_i，B_i分别对{L₀,R₀}进行加密，得到{L₁₆,R₁₆}；

对{L₁₆,R₁₆}进行初始置换的逆变换，得到64bits密文。

5.如权利要求1所述的智能电能表通信加密算法，其特征在于，所述得到64bits密文后，之后包括：

向通信接收端发送认证消息，获取所述通信接收端的认证反馈消息；

对所述认证反馈消息进行解密；

当解密后的认证反馈消息与所述认证消息一致时，建立安全通信。

6.如权利要求5所述的智能电能表通信加密算法，其特征在于，所述向通信接收端发送认证消息，具体包括：

将原始数据消息T进行安全散列，生成消息摘要SAC；

取所述消息摘要SAC前20bits作为密钥编号，提取密钥数据；

采用所述密钥数据对所述原始数据消息T进行加密，得到消息认证码MAC；

将所述消息摘要SAC与消息认证码MAC填充至安全报文的扩展字段，获得认证消息，并将所述认证消息发送至通信接收端。

7.如权利要求6所述的智能电能表通信加密算法，其特征在于，所述对所述认证反馈消息进行解密，具体包括：

所述通信接收端接收所述认证消息，对所述消息摘要SAC进行安全散列；

取安全散列后数据的前20bits作为密钥编号，提取密钥；

采用所述密钥对所述消息认证码MAC进行解密，得到数据消息T’；

对所述数据消息T’进行安全散列,得到消息摘要SAC’。

8.如权利要求7所述的智能电能表通信加密算法，其特征在于，所述当解密后的认证反馈消息与所述认证消息一致时，建立安全通信，具体包括：

当所述消息摘要SAC’与消息摘要SAC相同时，表明认证成功，建立安全通信。