CN109905879B - 基于ecc算法的输电线路监测终端安全接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于ECC算法的输电线路监测终端安全接入方法，用于解决现有技术中输电线路监测终端请求接入安全性低的问题。实现步骤为：(1)输电线路监测终端向MME发送接入请求；(2)MME对输电线路监测终端发送的接入请求进行核实；(3)HSS对IMSI合法性进行核实；(4)输电线路监测终端与HSS基于ECC算法获取动态密钥；(5)HSS对AV(i)进行解密发送至MME；(6)MME确认一组认证向量AV；(7)终端判断密文数据包完整性；(8)MME判断是否同意输电线路监测终端请求接入。本发明提高了输电线路监测终端请求接入的安全性，可用于输电线通信技术领域中输电线路监测终端的安全接入。

Description

基于ECC算法的输电线路监测终端安全接入方法

技术领域

本发明属于输电线通信技术领域，更进一步涉及安全接入领域中的一种基于ECC算法的输电线路监测终端安全接入方法，可用于输电线通信领域中输电线路监测终端请求接入过程。

背景技术

输电线路在线监测是国家智能电网的重要组成部分，随着智能电网建设的推进，越来越多的不同类型的输电线路监测终端需要远程接入电力信息网络。面对大量输电线路监测终端的请求接入，复杂的接入环境，以及不同的接入方式，如何保证电力信息网络的接入安全，已成为国家智能电网建设过程中的迫切需求。目前，对电网的输电线路监测终端安全接入的方法有很多，但这些方法并未解决输电线路监测终端请求接入过程中的IMSI和认证向量组AV(i)的信息泄露问题。IMSI是输电线路监测终端的身份信息，用以识别某一个输电线路监测终端，认证向量组AV(i)是输电线路监测终端请求接入中核实身份的必要参数。在输电线路监测终端接入过程中，IMSI和认证向量组AV(i)以明文形式传输，存在安全隐患。

张琪和曹宁在其发表的论文“TD－LTE电力专网接入机制的研究及改进”(信息技术，2015(03):105-108)中提出了一种通过基于公钥的输电线路监测终端请求接入方法，该方法首先对身份信息IMSI和ID_HSS进行公钥加密传输至核心网络中的HSS，HSS解开密文后再对身份信息进行初步核实，然后生成明文认证向量组AV(i)发送至输电线路监测终端，随后对输电线路监测终端请求接入进行核实，实现对输电线路监测终端请求接入过程。该方法的不足之处是输电线路监测终端请求接入过程中并没有对认证向量组AV(i)进行加密，存在被盗用的风险，导致输电线路监测终端请求接入的安全性较低。

椭圆曲线加密算法ECC是一种公钥加密算法，破解难度极大，因此其安全性很高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于ECC算法的输电线路监测终端安全接入方法，旨在提高输电线路监测终端请求接入的安全性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)输电线路监测终端向移动管理实体MME发送接入请求：

(1a)输电线路监测终端从自己的数字证书中获取私钥K_SUE，同时从认证中心CA中获取MME的公钥K_PMME；

(1b)输电线路监测终端使用K_PMME对国际移动用户识别码IMSI以及归属签约服务器HSS的ID_HSS分别进行加密，得到密文M1′，并将使用K_SUE对M1′进行加密得到的数据包M1作为接入请求发送至MME；

(2)MME对输电线路监测终端发送的接入请求M1的合法性进行核实：

(2a)MME从CA获取输电线路监测终端的公钥K_PUE，并根据K_PUE能否打开数据包M1判断接入请求M1是否合法，若是，打开M1后执行步骤(2b)，否则，拒绝输电线路监测终端的接入请求；

(2b)MME从自己的数字证书中获取私钥K_SMME，并利用K_SMME对数据包M1′进行解密，得到IMSI和ID_HSS；

(2c)MME判断输电线路监测终端的IMSI是否存在于MME访问历史记录表的黑名单，若是，则拒绝输电线路监测终端接入请求，否则，从CA中查找ID_HSS对应的HSS的公钥K_PHSS，并使用K_PHSS加密IMSI，得到M2′，再使用MME的私钥K_SMME加密M2′，得到数据包M2作为输电线路监测终端接入请求发送至HSS；

(3)HSS对M2中的明文IMSI的合法性进行核实：

(3a)HSS使用K_PMME对M2进行解密，得到M2′，并通过从自己的数字证书中获取私钥K_SHSS对M2′进行解密，得到明文IMSI；

(3b)HSS判断明文IMSI的身份是否合法，若明文IMSI存在于系统的IMSI数据库，则其身份合法，并执行步骤(3c)，否则，明文IMSI的身份为非法，拒绝输电线路监测终端的接入请求；

(3c)HSS从系统的IMSI数据库中找到与明文IMSI对应的密钥值K_ASME，计算认证向量组AV(i)；

(4)HSS和输电线路监测终端基于ECC算法获取动态密钥：

(4a)HSS基于ECC算法，通过随机生成的随机数R_HSS计算自己的动态公钥P_HSS，并发送至输电线路监测终端；

(4b)输电线路监测终端基于ECC算法，通过随机生成的随机数R_UE计算自己的动态私钥K_UE和动态公钥P_UE，并将动态公钥P_UE发送至HSS；

(4c)HSS基于ECC算法，计算自己的动态私钥K_HSS；

(5)HSS对认证向量组AV(i)进行加密并发送：

HSS通过MME的公钥K_PMME对认证向量组AV(i)进行加密，得到密文M3′，并通过自己的动态私钥K_HSS加密M3′，得到密文数据包M3，发给MME；

(6)MME确认认证向量AV并发送：

(6a)MME通过HSS的动态私钥P_HSS对M3进行解密后，再通过K_SMME对解密得到的密文M3′进行解密，得到原文认证向量组AV(i)，并存储随机选取的一组AV；

(6b)MME通过P_UE对从AV中提取的随机数RAND、认证令牌AUTN和K_ASME的密钥标识KSI_ASME进行加密，得到密文M4′，再通过K_SMME对M4′进行加密，得到密文数据包M4，并发送至输电线路监测终端；

(7)输电线路监测终端对密文数据包M4的完整性进行判断：

(7a)输电线路监测终端通过K_PMME对M4进行解密，得到密文M4′，再通过K_UE对M4′进行解密，得到KSI_ASME和RAND、AUTN；

(7b)输电线路监测终端通过M4的消息验证码XMAC和AUTN中的验证码MAC对M4的完整性进行判断，若XMAC＝MAC，则M4为完整，计算鉴权响应RES，并将RES发送至MME，否则，则M4为不完整，拒绝输电线路监测终端接入；

(8)MME判断是否同意输电线路监测终端请求接入：

MME判断接收的鉴权响应RES与储存的AV中包含的XRES是否一致，若是，则允许输电线路监测终端接入，否则，拒绝输电线路监测终端请求接入。

与现有技术相比，具有以下优点：

第一、本发明的HSS和输电线路监测终端基于ECC算法生成HSS的动态公钥和动态私钥，以及输电线路监测终端的动态公钥和动态私钥，对于输电线路监测终端每一次请求接入，动态密钥都会进行更新，降低了攻击者破解动态密钥的几率，有效的提高输电线路监测终端请求接入的安全性。

第二、本发明通过HSS的动态公钥和动态私钥对认证向量组AV(i)加解密，通过输电线路监测终端的动态公钥和动态私钥对认证向量AV进行加解密，从而降低未对认证向量组AV(i)进行加密而被攻击者截取的风险，进一步提高输电线路监测终端请求接入的安全性。

第三、本发明在输电线路监测终端请求接入中，输电线路监测终端对IMSI进行加密发送至MME，以及在MME中增加历史访问记录表，降低输电线路监测终端未对IMSI进行加密而被攻击者截获的风险，进一步提高了输电线路监测终端请求接入的安全性。

附图说明

图1是本发明的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

步骤1)输电线路监测终端向移动管理实体MME发送接入请求：

步骤1a)输电线路监测终端、移动管理实体MME和归属签约服务器HSS都有各自的数字证书，数字证书代表设备的个人身份，内部有数字证书的颁发者以及公钥和私钥。数字证书由信任的第三方认证中心CA信任，CA是颁发数字证书的机构，是负责发放和管理数字证书的权威机构，并作为数字证书受信任的第三方，承担公钥体系中公钥的合法性检验的责任，输电线路监测终端从自己的数字证书中获取私钥K_SUE，同时从CA中获取MME的公钥K_PMME；

步骤1b)本实施例中输电线路监测终端的身份信息采用IMSI＝460020744683204，前三位表示国家码，460为中国，第4到第5位表示网络号码，02为中国移动，剩下10位数表示输电线路监测终端识别码，具有唯一性。本实施例中HSS的ID_HSS采用的是陕西省移动归属签约服务器。输电线路监测终端使用K_PMME对IMSI以及ID_HSS分别进行加密，得到密文M1′：(IMSI，ID_HSS)K_PMME，并将使用K_SUE对M1′进行加密得到的数据包M1：{(IMSI，ID_HSS)K_PMME}K_SUE作为接入请求发送至MME；

步骤2)移动性管理设备MME对输电线路监测终端发送的接入请求的合法性进行核实，MME接收到数据包后，会对数据包进行验证发源方，以及解密信息，具体步骤如下：

步骤2a)MME从CA获取输电线路监测终端的公钥K_PUE，根据私钥加密，公钥解密能辨别发送方身份信息的性质，用K_PUE能否打开数据包M1判断接入请求M1是否合法，若是，打开M1后执行步骤(2b)，否则，拒绝输电线路监测终端的接入请求；

步骤2b)MME从自己的数字证书中获取私钥K_SMME，并利用K_SMME对数据包M1′进行解密，得到明文IMSI和ID_HSS；

步骤2c)MME判断输电线路监测终端的IMSI是否存在于MME访问历史记录表的黑名单，若是，则拒绝输电线路监测终端接入请求，并将IMSI接入黑名单，否则，认证通过，MME将IMSI加入白名单，以此提高安全性和效率，有效的防止攻击者恶意发送大量接入请求而导致服务器拒绝服务，降低服务器带宽消耗，同时从CA中查找ID_HSS对应的HSS的公钥K_PHSS，并使用K_PHSS加密IMSI，得到M2′:(IMSI)K_PHSS，再使用MME的私钥K_SMME加密M2′，得到数据包M2:{(IMSI)K_PHSS}K_SMME作为输电线路监测终端接入请求发送至HSS；

步骤3)HSS对M2中的明文IMSI的合法性进行核实：

步骤3a)HSS收到数据包后使用K_PMME对M2进行解密，得到M2′，并通过从自己的数字证书中获取私钥K_SHSS对M2′进行解密，得到明文IMSI；

步骤3b)HSS判断明文IMSI的身份是否合法，若明文IMSI存在于系统的IMSI数据库，则其身份合法，并执行步骤(3c)，否则，明文IMSI的身份为非法，拒绝输电线路监测终端的接入请求；

步骤3c)HSS从系统的IMSI数据库中找到与明文IMSI对应的密钥值K_ASME，计算出AV(i)认证向量，每一组认证向量AV的计算公式为：

AV＝RAND+AUTN+XRES+K_ASME

其中，RAND表示随机数，AUTN表示认证令牌，XRES表示期望的鉴权响应，K_ASME代表基础密钥，

XRES＝f_k(RAND)

K_ASME＝KDF(f_k(RAND),f_k(RAND))

MAC＝f_K(SQN||RAND||AMF)

AK＝f_k(RAND)

f_k表示Rijndael加密算法，KDF表示密钥导出函数，AMF表示认证管理域，MAC表示消息认证码，AK表示匿名密钥，SQN表示序列号，⊕表示异或运算符，||表示串联运算符。

步骤4)HSS与输电线路监测终端协商生成动态密钥：

步骤4a)HSS生成一个随机数R_HSS，通过ECC算法计算出HSS的动态公钥P_HSS：

P_HSS＝R_HSS×G

G是椭圆曲线曲线上点Abel群Ep的生成元，HSS将动态公钥P_HSS发送至输电线路监测终端；

步骤4b)输电线路监测终端生成一个随机数R_UE，通过ECC算法计算出输电线路监测终端的动态私钥K_UE和动态公钥P_UE，公式为：

K_UE＝R_UE×P_HSS＝R_UE×R_HSS×G

P_UE＝R_UE×G

输电线路监测终端将动态公钥P_UE发给HSS；

步骤4c)HSS可算出自己的动态私钥K_HSS：

K_HSS＝R_HSS×P_UE＝R_HSS×R_UE×G

K_UE＝K_HSS

由上述等式发现输电线路监测终端和HSS的动态私钥和动态公钥在输电线路监测终端请求接入过程中每次都是变化，在接下来的输电线路监测终端请求接入过程中，认证向量组AV(i)都是加密传输过程的，防止攻击者截获认证向量组AV(i)，从而降低未对认证向量组AV(i)进行加密而被攻击者截取的风险，并且动态公钥和动态私钥也能降低未对密钥进行更新而被攻击者破解的几率，提高输电线路监测终端请求接入的安全性；

步骤5)HSS对认证向量组AV(i)进行加密并发送：

HSS通过MME的公钥K_PMME对向量组AV(i)进行加密，得到密文M3′，并通过自己的私钥K_HSS加密M3′，得到数据包M3：{AV(i)K_PMME}K_HSS发送至MME；

步骤6)MME确定AV向量：

步骤6a)MME通过P_HSS对M3进行解密后，通过K_SMME对解密得到的M3′进行解密，得到认证向量组AV(i)，并随机选取的一组AV进行保存，便于之后与终端反馈信息进行对比，核实身份信息；

步骤6b)MME提取AV中随机数RAND、认证令牌AUTN和K_ASME的密钥标识KSI_ASME，然后通过P_UE对KSI_ASME和RAND、AUTN进行加密，得到M4′:(KSI_ASME,RAND,AUTN)P_UE，最后通过K_SMME对M4′进行加密，得到数据包M4:{(KSI_ASME,RAND,AUTN)P_UE}K_SMME发送至输电线路监测终端；

步骤7)输电线路监测终端对数据包M4的完整性进行判断：

步骤7a)输电线路监测终端通过K_PMME对M4进行解密，以此检验M4的发源方身份的合法性，得到M4′:(KSI_ASME,RAND,AUTN)P_UE，并通过K_UE对M4′进行解密，得到KSI_ASME和RAND、AUTN；

步骤7b)输电线路监测终端通过M4的消息验证码XMAC和AUTN中的验证码MAC对M4的完整性进行判断，若XMAC＝MAC，则M4为完整，计算鉴权响应RES，并将RES发送至MME公式为：

MAC＝f_K(SQN||RAND||AMF)

RES＝f_k(RAND)

若XMAC≠MAC，则M4为不完整，拒绝输电线路监测终端接入；

步骤8)MME通过对比收到的鉴权响应RES与储存的XRES判断是否同意输电线路监测终端请求接入：

MME判断接收的鉴权响应RES与储存的AV中包含的XRES是否一致，若是，则允许输电线路监测终端接入，否则，拒绝输电线路监测终端请求接入。

Claims (1)

1.一种基于ECC算法的输电线路监测终端安全接入方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)输电线路监测终端向移动管理实体MME发送接入请求：

(1a)输电线路监测终端从自己的数字证书中获取私钥K_SUE，同时从认证中心CA中获取MME的公钥K_PMME；

(1b)输电线路监测终端使用K_PMME对国际移动用户识别码IMSI以及归属签约服务器HSS的ID_HSS分别进行加密，得到密文M1′，并将使用K_SUE对M1′进行加密得到的数据包M1作为接入请求发送至MME；

(2)MME对输电线路监测终端发送的接入请求M1的合法性进行核实：

(2a)MME从CA获取输电线路监测终端的公钥K_PUE，并根据K_PUE能否打开数据包M1判断接入请求M1是否合法，若是，打开M1后执行步骤(2b)，否则，拒绝输电线路监测终端的接入请求；

(2b)MME从自己的数字证书中获取私钥K_SMME，并利用K_SMME对数据包M1′进行解密，得到IMSI和ID_HSS；

(2c)MME判断输电线路监测终端的IMSI是否存在于MME访问历史记录表的黑名单，若是，则拒绝输电线路监测终端接入请求，否则，从CA中查找ID_HSS对应的HSS的公钥K_PHSS，并使用K_PHSS加密IMSI，得到M2′，再使用MME的私钥K_SMME加密M2′，得到数据包M2作为输电线路监测终端接入请求发送至HSS；

(3)HSS对M2中的明文IMSI的合法性进行核实：

(3a)HSS使用K_PMME对M2进行解密，得到M2′，并通过从自己的数字证书中获取私钥K_SHSS对M2′进行解密，得到明文IMSI；

(3b)HSS判断明文IMSI的身份是否合法，若明文IMSI存在于系统的IMSI数据库，则其身份合法，并执行步骤(3c)，否则，明文IMSI的身份为非法，拒绝输电线路监测终端的接入请求；

(3c)HSS从系统的IMSI数据库中找到与明文IMSI对应的密钥值K_ASME，计算认证向量组AV(i)，其中每一个认证向量AV的计算公式为：

AV＝RAND||XRES||K_ASME||AUTN

其中，RAND表示随机数，AUTN表示认证令牌，XRES表示期望的鉴权响应，K_ASME代表基础密钥，

XRES＝f_k(RAND)

K_ASME＝KDF(f_k(RAND),f_k(RAND))

MAC＝f_K(SQN||RAND||AMF)

AK＝f_k(RAND)

f_k表示Rijndael加密算法，KDF表示密钥导出函数，AMF表示认证管理域，MAC表示消息认证码，AK表示匿名密钥，序列号SQN，⊕表示异或运算符，||表示串联运算符；

(4)HSS和输电线路监测终端基于ECC算法获取动态密钥：

(4a)HSS生成一个随机数R_HSS，并将动态公钥P_HSS发送至输电线路监测终端，同时通过ECC算法计算出HSS的动态公钥P_HSS：

P_HSS＝R_HSS×G

G是椭圆曲线曲线上点Abel群Ep的生成元；

(4b)输电线路监测终端生成一个随机数R_UE，并将P_UE发给HSS，同时通过ECC算法计算出输电线路监测终端的动态私钥K_UE和动态公钥P_UE，公式为：

K_UE＝R_UE×P_HSS＝R_UE×R_HSS×G

P_UE＝R_UE×G；

(4c)HSS可算出自己的动态私钥K_HSS：

K_HSS＝R_HSS×P_UE＝R_HSS×R_UE×G

K_UE＝K_HSS；

(5)HSS对认证向量组AV(i)进行加密并发送：

HSS通过MME的公钥K_PMME对认证向量组AV(i)进行加密，得到密文M3′，并通过自己的动态私钥K_HSS加密M3′，得到密文数据包M3，发给MME；

(6)MME确认认证向量AV并发送：

(6a)MME通过HSS的动态私钥P_HSS对M3进行解密后，再通过K_SMME对解密得到的密文M3′进行解密，得到原文认证向量组AV(i)，并存储随机选取的一组AV；

(6b)MME通过P_UE对从AV中提取的随机数RAND、认证令牌AUTN和K_ASME的密钥标识KSI_ASME进行加密，得到密文M4′，再通过K_SMME对M4′进行加密，得到密文数据包M4，并发送至输电线路监测终端；

(7)输电线路监测终端对密文数据包M4的完整性进行判断：

(7a)输电线路监测终端通过K_PMME对M4进行解密，得到密文M4′，再通过K_UE对M4′进行解密，得到KSI_ASME和RAND、AUTN；

(7b)输电线路监测终端通过M4的消息验证码XMAC和AUTN中的验证码MAC对M4的完整性进行判断，若XMAC＝MAC，则M4为完整，计算鉴权响应RES，并将RES发送至MME，否则，则M4为不完整，拒绝输电线路监测终端接入；

(8)MME判断是否同意输电线路监测终端请求接入：

MME判断接收的鉴权响应RES与储存的AV中包含的XRES是否一致，若是，则允许输电线路监测终端接入，否则，拒绝输电线路监测终端请求接入。

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