CN109039585A - 基于des算法的远程加密电力能耗数据采集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统及方法，包括：主站、集中器、手抄器、采集器、电表，所述主站通过网络和USB分别读取集中器和手抄器的数据，所述集中器设置于台变处，用于管理该台变下的所有电表和采集器，采集器通过485总线采集电能表的相关数据，每个采集器下面最多可以设置32个电表。本发明的有益效果是加密解密速度较快、安全性能较高。

Description

基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统及方法
技术领域
本发明属于电力能耗数据采集领域，尤其是涉及基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统及方法。
背景技术
目前电力行业的能耗远程数据采集(远程超标系统)，多数采用8位或者16位的单片机实现，该方式主要侧重考虑数据传输的完整性及可靠性，所以在这些系统中所使用的通讯协议也往往是比较简单的，大多数采用没有加密的明文方式传输，其运算能力有限，数据安全性被忽视。
新的系统核心芯片虽然在不断发展，不断更新换代，使其计算能力和计算速度大幅提高，在硬件上可以满足较为复杂的加密算法，进一步保护数据安全性但是目前合适的电能能耗数据传输加密方式依然欠缺。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题提供一种加密解密速度较快、安全性能较高的基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统及采集方法，尤其适合电力行业的电能能耗数据远程获取过程中使用。
本发明的技术方案是：基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统，包括：主站、集中器、手抄器、采集器、电表，所述主站通过网络和USB分别读取集中器和手抄器的数据，所述集中器设置于台变处，用于管理该台变下的所有电表和采集器，采集器通过485总线采集电能表的相关数据，每个采集器下面最多可以设置32个电表；
进一步的，所述集中器通过电力线载波的方式读取采集器中的数据；
进一步的，所述手抄器通过红外通讯的方式读取采集器和集中器的数据；
一种使用基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统的采集方法，远程加密电力能耗数据采集系统是数据的采集的过程中，用DES对称加密算法在协议的数据链路层进行加密，DES算法以64位为分组对数据加密，64位的分组明文序列做为加密算法的输入，经过16轮加密得到64位的密文序列，实际使用56位；
进一步的，为了进一步提高数据安全性，抵抗外界可能产生的攻击，对于特殊的机密数据可以采用三重DES方法，也就是使用两个56位密钥对交换的信息进行三次加密，使其有效密钥长度可以扩展到128位；
进一步的，为了方便通信处理，在进行加密处理时，对于地址域部分加密，仅对帧起始符和结束符之间的数据进行加密处理，由于其长度不固定，所以需要对待加密的数据中不足64位的分组部分进行随机填充，形成若干个8字节的数据块，然后再以8字节分组明文序列做为DES加密算法的输入，经过16轮加密后，得到一串8字节的密文序列；
进一步的，要计算8字节的密文序列的长度，只需要将数据域长度(i)加3后除以8，得到的商(j)和余数(k)；如果能够整除(k＝0)，则密文长度为i+3，如果不能够整除，则密钥长度为8×(j+1)，在发送帧数据前，先发送4个字节的16进制数FEH，然后是第一帧起始符、地址域、第二帧起始符、密文长度、密文、结束符，在接收端，通过地址域来判断是否处理其后的数据，由于DES加密方法是对称加密，所以，相应的解密过程可以参考加密的逆过程。
本发明具有的优点和积极效果是：DES对称加密算法采用分组加密方法，将明文内容分成固定长度的组，用同一个密钥分别对每一组加密，输出固定长度的加密后的密文内容，该加密方法可以实现电力能耗数据传输过程中加密解密速度较快、安全性能较高，十分适合目前电力行业的电能能耗数据远程获取过程中，有效的保护相关数据的安全。
附图说明
图1是本发明的基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统的结构示意图；
图2是DES算法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1、2所示，本发明一种基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统，包括：主站、集中器、手抄器、采集器、电表，所述主站通过网络和USB分别读取集中器和手抄器的数据，所述集中器设置于台变处，用于管理该台变下的所有电表和采集器，采集器通过485总线采集电能表的相关数据，每个采集器下面最多可以设置32个电表，例如设置1、2、3、4、…、30、31、32个电表；
进一步的，所述集中器通过电力线载波的方式读取采集器中的数据；
进一步的，所述手抄器通过红外通讯的方式读取采集器和集中器的数据；
一种使用基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统的采集方法，远程加密电力能耗数据采集系统是数据的采集的过程中，用DES对称加密算法在协议的数据链路层进行加密，DES算法以64位为分组对数据加密，64位的分组明文序列做为加密算法的输入，经过16轮加密得到64位的密文序列，实际使用56位；
DES算法是把64位的明文输入块变为64位的密文输出块，它所使用的密钥也是64位，其功能是把输入的64位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32位，其置换规则如下：
58，50，12，34，26，18，10，2，60，52，44，36，28，20，12，4，62，54，46，38，30，22，14，6，64，56，48，40，32，24，16，8，57，49，41，33，25，17，9，1，59，51，43，35，27，19，11，3，61，53，45，37，29，21，13，5，63，55，47，39，31，23，15，7，
即将输入的第58位换到第一位，第50位换到第2位，...，依此类推，最后一位是原来的第7位。L0、R0则是换位输出后的两部分，L0是输出的左32位，R0是右32位，例：设置换前的输入值为D1D2D3.......D64，则经过初始置换后的结果为：L0＝D550...D8；R0＝D57D49...D7。
经过26次迭代运算后。得到L16、R16，将此作为输入，进行逆置换，即得到密文输出。逆置换正好是初始置的逆运算，例如，第1位经过初始置换后，处於第40位，而通过逆置换，又将第40位换回到第1位，其逆置换规则如下表所示：
40，8，48，16，56，24，64，32，39，7，47，15，55，23，63，31，38，6，46，14，54，22，62，30，37，5，45，13，53，21，61，29，36，4，44，12，52，20，60，28，35，3，43，11，51，19，59，27，34，2，42，10，50，18，58 26，33，1，41，9，49，17，57，25，
放大换位表：
32，1，2，3，4，5，4，5，6，7，8，9，8，9，10，11，12，13，12，13，14，15，16，17，16，17，18，19，20，21，20，21，22，23，24，25，24，25，26，27，28，29，28，29，30，31，32，1，
单纯换位表：
16，7，20，21，29，12，28，17，1，15，23，26，5，18，31，10，2，8，24，14，32，27，3，9，19，13，30，6，22，11，4，25，
在f(Ri，Ki)算法描述图中，S1，S2...S8为选择函数，其功能是把6bit数据变为4bit数据。下面给出选择函数Si(i＝1，2.......8)的功能表：
选择函数Si：
S1：
14，4，13，1，2，15，11，8，3，10，6，12，5，9，0，7，0，15，7，4，14，2，13，1，10，6，12，11，9，5，3，8，4，1，14，8，13，6，2，11，15，12，9，7，3，10，5，0，15，12，8，2，4，9，1，7，5，11，3，14，10，0，6，13，
S2：
15，1，8，14，6，11，3，4，9，7，2，13，12，0，5，10，3，13，4，7，15，2，8，14，12，0，1，10，6，9，11，5，0，14，7，11，10，4，13，1，5，8，12，6，9，3，2，15，13，8，10，1，3，15，4，2，11，6，7，12，0，5，14，9，
S3：
10，0，9，14，6，3，15，5，1，13，12，7，11，4，2，8，13，7，0，9，3，4，6，10，2，8，5，14，12，11，15，1，13，6，4，9，8，15，3，0，11，1，2，12，5，10，14，7，1，10，13，0，6，9，8，7，4，15，14，3，11，5，2，12，
S4：
7，13，14，3，0，6，9，10，1，2，8，5，11，12，4，15，13，8，11，5，6，15，0，3，4，7，2，12，1，10，14，9，10，6，9，0，12，11，7，13，15，1，3，14，5，2，8，4，3，15，0，6，10，1，13，8，9，4，5，11，12，7，2，14，
S5：
2，12，4，1，7，10，11，6，8，5，3，15，13，0，14，9，14，11，2，12，4，7，13，1，5，0，15，10，3，9，8，6，4，2，1，11，10，13，7，8，15，9，12，5，6，3，0，14，11，8，12，7，1，14，2，13，6，15，0，9，10，4，5，3，
S6：
12，1，10，15，9，2，6，8，0，13，3，4，14，7，5，11，10，15，4，2，7，12，9，5，6，1，13，14，0，11，3，8，9，14，15，5，2，8，12，3，7，0，4，10，1，13，11，6，4，3，2，12，9，5，15，10，11，14，1，7，6，0，8，13，
S7：
4，11，2，14，15，0，8，13，3，12，9，7，5，10，6，1，13，0，11，7，4，9，1，10，14，3，5，12，2，15，8，6，1，4，11，13，12，3，7，14，10，15，6，8，0，5，9，2，6，11，13，8，1，4，10，7，9，5，0，15，14，2，3，12，
S8：
13，2，8，4，6，15，11，1，10，9，3，14，5，0，12，7，1，15，13，8，10，3，7，4，12，5，6，11，0，14，9，2，7，11，4，1，9，12，14，2，0，6，10，13，15，3，5，8，2，1，14，7，4，10，8，13，15，12，9，0，3，5，6，11，
在此以S1为例说明其功能，我们可以看到：在S1中，共有4行数据，命名为0，1、2、3行；每行有16列，命名为0、1、2、3，......，14、15列。
现设输入为：D＝D1D2D3D4D5D6
令：列＝D2D3D4D5
行＝D1D6
然后在S1表中查得对应的数，以4位二进製表示，此即为选择函数S1的输出。
下面给出子密钥Ki(48bit)的生成算法：
从子密钥Ki的生成算法描述图中我们可以看到：初始Key值为64位，但DES算法规定，其中第8、16、......64位是奇偶校验位，不参与DES运算。故Key实际可用位数便只有56位。即：经过缩小选择换位表1的变换后，Key的位数由64位变成了56位，此56位分为C0、D0两部分，各28位，然后分别进行第1次循环左移，得到C1、D1，将C1(28位)、D1(28位)合併得到56位，再经过缩小选择换位2，从而便得到了密钥K0(48位)。依此类推，便可得到K1、K2、......、K15，不过需要注意的是，16次循环左移对应的左移位数要依据下述规则进行：
循环左移位数：
1，1，2，2，2，2，2，2，1，2，2，2，2，2，2，1
进一步的，为了进一步提高数据安全性，抵抗外界可能产生的攻击，对于特殊的机密数据可以采用三重DES方法，也就是使用两个56位密钥对交换的信息进行三次加密，使其有效密钥长度可以扩展到128位；
进一步的，为了方便通信处理，在进行加密处理时，对于地址域部分加密，仅对帧起始符和结束符之间的数据进行加密处理，由于其长度不固定，所以需要对待加密的数据中不足64位的分组部分进行随机填充，形成若干个8字节的数据块，然后再以8字节分组明文序列做为DES加密算法的输入，经过16轮加密后，得到一串8字节的密文序列；
进一步的，要计算8字节的密文序列的长度，只需要将数据域长度(i)加3后除以8，得到的商(j)和余数(k)；如果能够整除(k＝0)，则密文长度为i+3，如果不能够整除，则密钥长度为8×(j+1)，在发送帧数据前，先发送4个字节的16进制数FEH，然后是第一帧起始符、地址域、第二帧起始符、密文长度、密文、结束符，在接收端，通过地址域来判断是否处理其后的数据，由于DES加密方法是对称加密，所以，相应的解密过程可以参考加密的逆过程。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统，其特征在于：包括：主站、集中器、手抄器、采集器、电表，所述主站通过网络和USB分别读取集中器和手抄器的数据，所述集中器设置于台变处，用于管理该台变下的所有电表和采集器，采集器通过485总线采集电能表的相关数据，每个采集器下面最多可以设置32个电表。
2.根据权利要求1所述的基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统，其特征在于：所述集中器通过电力线载波的方式读取采集器中的数据。
3.根据权利要求1所述的基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统，其特征在于：所述手抄器通过红外通讯的方式读取采集器和集中器的数据。
4.一种使用根据权利要求1-3所述的基于DES算法的远程加密电力能耗数据采集系统的采集方法，其特征在于：使用远程加密电力能耗数据采集系统时，在数据的采集的过程中，用DES对称加密算法在协议的数据链路层进行加密，DES算法以64位为分组对数据加密，64位的分组明文序列做为加密算法的输入，经过16轮加密得到64位的密文序列，实际使用56位。
5.根据权利要求4所述的采集方法，其特征在于：对于特殊的机密数据采用三重DES方法，使用两个56位密钥对交换的信息进行三次加密，使其有效密钥长度可以扩展到128位。
6.根据权利要求4所述的采集方法，其特征在于：在进行加密处理时，对于地址域部分加密，仅对帧起始符和结束符之间的数据进行加密处理，对待加密的数据中不足64位的分组部分进行随机填充，形成若干个8字节的数据块，然后再以8字节分组明文序列做为DES加密算法的输入，经过16轮加密后，得到一串8字节的密文序列。
7.根据权利要求6所述的采集方法，其特征在于：要计算8字节的密文序列的长度，将数据域长度(i)加3后除以8，得到的商(j)和余数(k)；如果能够整除(k＝0)，则密文长度为i+3，如果不能够整除，则密钥长度为8×(j+1)，在发送帧数据前，先发送4个字节的16进制数FEH，然后依次是第一帧起始符、地址域、第二帧起始符、密文长度、密文、结束符，在接收端，通过地址域来判断是否处理其后的数据。
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