CN109787765B - 一种用于水质在线监测的远程数据网关加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于水质在线监测的远程数据网关加密方法，发送水质数据时，通过椭圆曲线加密对帧数据进行链式加密，并通过链式加密结果更新签名写入远程网关，网关设备每次上电工作前，检查签名有效性，如果有效则正常工作，否则给出无效提示停止工作。本发明基于椭圆曲线加密机制，通过链式签名更新的方法完成网关签名验证，把这种加密技术在硬件上实现，不仅保证了远程通信网关软件配置的数据安全，而且保证了通信网关上传水质数据的安全性。基于本发明方法可以实时检测设备的完备性，在设备硬件遭到篡改时能够给出警告并及时停止工作，能保证数据上传的机密性，相较于传统的在线水质监测系统的集成方案，具有更强的安全性。

Description

一种用于水质在线监测的远程数据网关加密方法

技术领域

本发明属于在线水质监测技术领域，涉及一种用于水质在线监测的远程数据网关加密方法。

背景技术

为了保证水质的可靠性和人民的饮水安全，水厂水司需要在水源地、水厂处理中心、管网等各处安装在线水质监测设备。设备主要用于监测浊度、余氯、氨氮、COD、PH、电导率等参数，由于水路水质信息为敏感信息，其安全性要求极高，但目前尚无安全性较高的加密技术对水路水质信息进行加密，尤其是无法在设备硬件遭到篡改时进行防范，具有严重的安全隐患。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于水质在线监测的远程数据网关加密方法，在设备硬件遭到篡改时能够给出警告并及时停止工作，能保证数据上传的机密性。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于水质在线监测的远程数据网关加密方法，包括如下步骤：

网关读取在线水质监测设备的水质数据，并实时向服务器发送水质数据，发送水质数据时，通过椭圆曲线加密对帧数据进行链式加密，并通过链式加密结果更新签名写入远程网关，网关设备每次上电工作前，检查签名有效性，如果有效则正常工作，否则给出无效提示停止工作。

进一步的，具体包括如下步骤：

步骤1：上位机设备通过操作系统生成随机数k，然后进行SHA256(k)运算得到私钥，然后通过椭圆曲线算法将私钥转换为公钥K，在完成私钥和公钥生成后，上位机将公钥发送至服务器进行网关设备注册，将私钥发送至网关设备进行设备激活；

步骤2：网关设备在接收到上位机设备的激活指令后，将私钥写入控制单元内部的第一存储单元，完成设备激活；

步骤3：网关设备激活后首次上电加载程序时，会利用第一存储单元中的私钥和随机数生成一个初始签名写入第二存储单元中，签名更新公式如下：

其中s₀为初始签名，SHA256(SHA256(r))为消息体内容，p_s为私钥，x为有限域rG(x,y)上的x的值；

步骤4：正常运行时，网关设备根据配置的解析协议解析水质设备数据，并组帧加密发送至服务器，同时每次传输新帧时，利用第二存储单元中的旧签名和新帧数据组合，通过私钥生成新签名，并将其更新至第二存储单元中，更新公式如下：

其中s_new为新签名，SHA256(Message)为发送的数据帧Message的哈希运算结果，p_s为私钥，x为有限域s_oldG(x,y)上的x的值，s_old为旧签名；

步骤5：设备每次上电工作前，检查EEPROM中的签名有效性，如果有效则进入系统正常工作，否则给出无效提示。

进一步的，所述步骤1中，所用椭圆曲线为Secp256k1，其公式如下：

y²mod p＝(x³+7)mod p (1)

modp表明曲线是在素数p的限定域中的，p的取值为p＝2²⁵⁶-2³²-2⁹-2⁸-2⁷-2⁶-2⁴-1；

满足上述公式的点就记为GF(x,y)。

进一步的，所述步骤1中随机数k生成范围是0～2²⁵⁶-1。

进一步的，所述步骤5中验证签名的方法如下：

根据系统存储的上一条Message计算SHA256(Message)，使用公钥K计算hG/s+xK/s并与s_oldG比较，如相等则验证成功。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果:

1.本发明基于椭圆曲线加密机制，通过网关自产生的种子产生公钥，私钥，把公钥发到与远程网关连接的云端平台或数据中心，通过链式签名更新的方法完成双方验证，并把这种加密技术在硬件上实现，不仅保证了远程通信网关软件配置的数据安全，而且保证了通信网关上传水质数据的安全性。

2.基于本发明方法可以实时检测设备的完备性，在设备硬件遭到篡改时能够给出警告并及时停止工作，能保证数据上传的机密性，相较于传统的在线水质监测系统的集成方案，具有更强的安全性。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明所用的椭圆曲线加密方法的加密曲线示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明中，网关用于读取在线水质监测设备的水质数据，并实时向服务器发送水质数据，在网关正常工作向服务器定时发送水质数据时，采用硬件链式签名安全认证方法，通过椭圆曲线加密对帧数据进行链式加密，并通过链式加密结果更新签名写入远程网关，从而保证在设备硬件遭到篡改时能够给出警告并及时停止工作。本发明方法流程如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1：上位机设备通过操作系统生成随机数k，生成范围是0～2²⁵⁶-1，然后进行SHA256(k)运算得到私钥，然后通过椭圆曲线算法将私钥转换为公钥K，所用椭圆曲线为Secp256k1，其公式如下：

y²mod p＝(x³+7)mod p (1)

modp表明曲线是在素数p的限定域中的，p的取值为p＝2²⁵⁶-2³²-2⁹-2⁸-2⁷-2⁶-2⁴-1；

满足上述公式的点就记为GF(x,y)；

在完成私钥和公钥生成后，上位机将公钥发送至服务器进行网关设备注册，将私钥发送至网关设备进行设备激活；

步骤2：网关设备在接收到上位机设备的激活指令后，将私钥写入MCU内部的flash，完成设备激活；

步骤3：网关设备激活后首次上电加载程序时，会利用flash中的私钥和随机数生成一个初始签名写入EEPROM中，签名更新公式如下：

其中s₀为初始签名，因为初始化没有数据帧，因此将随机数的两次哈希作为消息体内容，即SHA256(SHA256(r))，r为步骤3所述随机数，p_s为私钥，x为有限域rG(x,y)上的x的值；

步骤4：正常运行时，网关设备根据配置的解析协议解析水质设备数据，并组帧加密发送至服务器，同时每次传输新帧时，利用EEPROM中的旧签名和新帧数据组合，通过私钥生成新签名，并将其更新至EEPROM中，更新公式如下：

其中s_new为新签名，SHA256(Message)为发送的数据帧Message的哈希运算结果，p_s为私钥，x为有限域s_oldG(x,y)上的x的值，s_old为旧签名；

步骤5：设备每次上电工作前，检查EEPROM中的签名有效性，如果有效则进入系统正常工作，否则给出无效提示。验证签名的方法如下：

根据系统存储的上一条Message计算SHA256(Message)，使用公钥K计算hG/s+xK/s并与s_oldG比较，如相等则验证成功。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于水质在线监测的远程数据网关加密方法，其特征在于，包括如下步骤：

远程网关读取在线水质监测设备的水质数据，并实时向服务器发送水质数据，发送水质数据时，通过椭圆曲线加密对帧数据进行链式加密，并通过链式加密结果更新签名写入远程网关，远程网关每次上电工作前，检查签名有效性，如果有效则正常工作，否则给出无效提示停止工作；

具体步骤为：

步骤1：上位机设备通过操作系统生成随机数k，然后进行SHA256(k)运算得到私钥，然后通过椭圆曲线算法将私钥转换为公钥K，在完成私钥和公钥生成后，上位机将公钥发送至服务器进行远程网关注册，将私钥发送至远程网关进行设备激活；

步骤2：远程网关在接收到上位机设备的激活指令后，将私钥写入控制单元内部的第一存储单元，完成设备激活；

步骤3：远程网关激活后首次上电加载程序时，会利用第一存储单元中的私钥和随机数r生成一个初始签名写入第二存储单元中，初始签名公式如下：

其中s₀为初始签名，SHA256(SHA256(r))为消息体内容，p_s为私钥，x为有限域rG(x,y)上的x的值；

步骤4：正常运行时，远程网关根据配置的解析协议解析水质设备数据，并组帧加密发送至服务器，同时每次传输新帧时，利用第二存储单元中的旧签名和新帧数据组合，通过私钥生成新签名，并将其更新至第二存储单元中，更新公式如下：

其中s_new为新签名，SHA256(Message)为发送的数据帧Message的哈希运算结果，p_s为私钥，x为有限域s_oldG(x,y)上的x的值，s_old为旧签名；

步骤5：设备每次上电工作前，检查EEPROM中的签名有效性，如果有效则进入系统正常工作，否则给出无效提示。

2.根据权利要求1所述的用于水质在线监测的远程数据网关加密方法，其特征在于，所述步骤1中，所用椭圆曲线为Secp256k1，其公式如下：

y²mod p＝(x³+7)mod p (1)

mod p表明曲线是在素数p的限定域中的，p的取值为p＝2²⁵⁶-2³²-2⁹-2⁸-2⁷-2⁶-2⁴-1；

满足上述公式的点就记为GF(x,y)。

3.根据权利要求1所述的用于水质在线监测的远程数据网关加密方法，其特征在于，所述步骤1中随机数k生成范围是0～2²⁵⁶-1。

4.根据权利要求1所述的用于水质在线监测的远程数据网关加密方法，其特征在于，所述步骤5中检查签名的方法如下：

根据系统存储的上一条Message计算SHA256(Message)，使用公钥K计算hG/s+xK/s并与s_oldG比较，如相等则验证成功。

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