CN111045704A - 一种用于智能电网高端ami采集分析装备安全升级的方法以及设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于智能电网高端AMI采集分析装备安全升级的方法以及设备，它包括以下步骤：文件签名步骤：对编译生成的bin文件进行数据签名，签名的公私玥对由专人管理和保存，再次进行升级文件发放时，都启用新的公私玥对进行签名；签名后升级文件加解密步骤：生成的升级二进制文件，通过AES128算法对其进行加密，升级过程中，智能设备对收到的每一包文件进行解密后得到真实的升级文件，进行升级。本发明的智能设备安全升级的方法，解决升级过程的完整性、可靠性和安全性问题，大大降低安全风险，保证升级文件在传递过程中的安全，也保证了升级文件是可靠的，通过更换签名公钥的方法，使公钥的使用寿命仅有1次，降低了公钥泄露的风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能设备安全升级的方法，用于保护升级文件的完整性和机密性，并对非法事件进行主动上报。
背景技术
智能设备(智能电表、集中器、采集器)在智能电网中承担着原始电能数据采集、计量、事件检测、远程拉合闸和数据传输的任务，是实现信息继承、用电信息分析、负荷优化和信息展现的基础。随着智能电网的建设，智能设备相关的技术要求也在不断的更新，随着软件功能的增加、软件bug的修复，对安装在现场的智能设备进行升级是必然的需求。
一般智能设备的升级方案多采用明文加CRC的格式，首先其明文格式极易被外人获取并进行反编译，从而找寻程序的漏洞进行攻击；其次CRC校验方式较为简单，易被破解，若有人将二进制升级文件修改部分内容，再以同样的CRC校验算法计算出新的CRC，则设备在收到整个完整的升级文件后，无法辨别其是否被修改过而将其视作正确的升级文件导致升级后设备死机，则设备故障后无法工作，必须更换设备而导致已采集的数据丢失，因此如何保障软件升级的安全也异常重要，亟待一种更加安全的方式进行软件升级。
发明内容
本发明的目的是针对AMI采集分析装备进行设备安全升级时升级的安全加密问题，提出一种用于智能电网高端AMI采集分析装备安全升级的方法以及设备；通过对升级文件采用数字签名的验证方式，大大的保证了升级文件的完整性，再对其进行AES128加密，又保证了升级文件的机密性，再加上定期更新签名数字签名公私玥，同时也使用加密方式进行公钥更新，大大的提升了软件升级的安全性，保障了智能设备的升级安全。
本发明的技术方案是：
本发明提供一种用于智能电网高端AMI采集分析装备安全升级的方法，该方法包括以下步骤：
升级文件生成步骤：
AMI采集分析装备生产厂家需要进行设备安全升级时，生成ECDSA数字签名的公私玥对，进行保存；
生成二进制升级文件，采用私玥对前述明文二进制升级文件进行ECDSA数字签名，得到ECDSA数字签名后的二进制升级文件；然后采用加密算法对ECDSA数字签名后的二进制升级文件进行加密，生成加密后的升级文件；
将前述公钥和加密后的升级文件发送至给电力公司主站；
升级步骤：电力公司主站接收前述公钥和加密后的升级文件，转发至AMI采集分析装备，AMI采集分析装备采用解密算法进行解密，得到ECDSA数字签名后的二进制升级文件，采用公钥对ECDSA数字签名后的二进制升级文件进行处理，得到二进制升级文件，进行升级。
进一步地，所述的公私玥对定期更换。
进一步地，所述的加密算法采用AES-128加密算法，解密算法采用与加密算法相对应的AES-128解密算法。
进一步地，所述的升级步骤中，当电力公司主站接收公钥和加密后的升级文件后，对公钥执行S1-S2的加密操作；相应的，AMI采集分析装备对加密后的公钥执行S3-S4的解密操作：
S1、电力公司主站根据待升级的AMI采集分析装备编号，提取相应设备的设备密钥MK，主站随机产生临时密钥和随机数IV；
S2、主站用设备密钥MK对临时密钥进行AES-128key wrap操作，生成加密后的临时密钥；
主站采用随机数IV和临时密钥对公钥进行AES加密运算，得到加密后的公钥以及校验值1authentication tag；
主站将临时密钥、随机数IV、加密后的公钥以及校验值1authentication tag下发给AMI采集分析装备；
S3、AMI采集分析装备收到主站发送的临时密钥、随机数IV、加密后的公钥以及校验值1，提取自身的设备密钥MK；
S4、AMI采集分析装备采用设备密钥MK对加密后的临时密钥进行AES-128unwrap操作，若unwrap操作失败则记录unwrap失败事件，拒绝公钥更新，否则，unwrap操作成功，获取临时密钥；
AMI采集分析装备采用临时密钥和随机数IV对加密后的公钥进行校验值计算，获取校验值2，对比校验值1和校验值2，如果一致，则验证通过，继续执行，否则，验证失败，记录此次验证失败；
AMI采集分析装备采用临时密钥和随机数IV对加密后的公钥进行AES运算，得到公钥。
进一步地，对于非法入侵即unwrap操作失败或者校验值比对失败，AMI采集分析装备将前述事件记录并上报至主站系统。
一种用于智能电网高端AMI采集分析装备安全升级的方法所采用的设备升级系统，该升级系统包括升级文件生成单元，该单元执行以下操作：生成ECDSA数字签名的公私玥对，进行保存；生成二进制升级文件，采用私玥对前述明文二进制升级文件进行ECDSA数字签名，得到ECDSA数字签名后的二进制升级文件；然后采用加密算法对ECDSA数字签名后的二进制升级文件进行加密，生成加密后的升级文件；将前述公钥和加密后的升级文件发送至给电力公司主站。
一种用于智能电网高端AMI采集分析装备安全升级的方法所采用的AMI采集分析装备，该装备包括解密单元，该单元执行以下操作：AMI采集分析装备采用解密算法进行解密，得到ECDSA数字签名后的二进制升级文件，采用公钥对ECDSA数字签名后的二进制升级文件进行处理，得到二进制升级文件，进行升级。
本发明的有益效果：
本发明采用对升级文件进行数字签名并加密的方式，主动更新签名公私玥，解决升级过程的完整性、可靠性和安全性问题，大大降低安全风险，保证升级文件在传递过程中的安全，也保证了升级文件是可靠的，通过更换签名公钥的方法，使公钥的使用寿命仅有1次，降低了公钥泄露的风险。
本发明中设备内部进行数字签名验证之前，主站与设备端进行升级文件传输时，对公钥进行加密，通过临时密钥和随机数IV对public key进行加密，临时密钥又通过设备固有的MK即master key进行AES-128key wrap操作，由于每只设备的master key均不同，可以保证信息仅对对应的待升级设备有效。
本发明的升级过程中，对于非法入侵和攻击，尝试对升级文件进行修改或者修改public key的行为，设备主动进行事件记录并上报至主站系统
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明的升级bin文件生成过程示意图。
图2示出了主站的公钥加密流程图。
图3示出了本发明的安全升级流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
一种用于智能设备设备软件安全升级的方法，它包括以下步骤：
文件签名步骤：对编译生成的bin文件进行ECDSA数据签名，签名的公私玥对由专人管理和保存，再次进行升级文件发放时，都启用新的公私玥对进行签名；
签名后升级文件加解密步骤：生成的升级二进制文件，通过AES128算法对其进行加密，升级过程中，智能设备对收到的每一包文件进行解密后得到真实的升级文件，存储下来；
设备内部进行数字签名验证之前，更新公钥的步骤：通过临时密钥和IV对publickey进行加密，临时密钥又通过设备固有的master key进行AES-128key wrap，由于每只设备的master key均不同，可以保证信息仅对一个设备有效。
对于非法入侵，尝试对升级文件进行修改或者修改public key的行为，设备主动进行事件记录并上报至主站系统。
本发明所要解决的问题是智能设备现场升级的安全性问题。其具体实施方法如下：
1、为保证升级文件在传递工程中的安全，防止反编译，如图1所示，定义了发放的升级文件的生成方式，对每份升级文件采用新的公私玥对，应用私钥对文件签名，再对文件进行AES128加密。
2、公钥更新流程如图2所示，主站通过我们定义好的加密方案对公钥进行加密下发给设备，设备收到数据后进行解析得到新的公钥。
公钥下发结构如下：
| 序号 | 数据内容 | 数据长度 |
| 1 | Ephemeral_key_wrapped | 24 |
| 2 | IV | 12 |
| 3 | Public_Key_ciphered | 64 |
| 4 | Authentication_Tag | 12 |
设备收到主站下发的数据后，先通过MK对Ephemeral_key_wrapped进行AES-128unwrap操作，得到临时密钥Ephemeral_key，若unwrap失败则记录unwrap失败事件，拒绝公钥更新；然后利用Ephemeral_key和IV对Public_Key_ciphered计算校验值，并与Authentication_Tag进行比对，若验证码相同，则说明验证通过，若验证失败则记录验证失败事件；验证通过后，说明数据是完整的，则继续利用Ephemeral_key和IV对Public_Key_ciphered进行解密得到实际的Public_Key值。
3、升级时，设备接收到密文的升级文件包，先对接收到的升级文件包进行解密，验证时，使用2中得到的Public_Key对数字签名进行验证，验证通过，则说明升级文件合法，允许升级。
4、事件上报采用event notification实现，属于实时上报，通过配置event alarmregister决定相应的事件是否需要上报，一般与安全相关的事件都是关键事件，默认上报功能开启。
本发明的智能设备安全升级的方法，解决升级过程的完整性、可靠性和安全性问题，大大降低安全风险，保证升级文件在传递过程中的安全，也保证了升级文件是可靠的，通过更换签名公钥的方法，使公钥的使用寿命仅有1次，降低了公钥泄露的风险。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (7)
1.一种用于智能电网高端AMI采集分析装备安全升级的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
升级文件生成步骤：
AMI采集分析装备生产厂家需要进行设备安全升级时，生成ECDSA数字签名的公私玥对，进行保存；
生成二进制升级文件，采用私玥对前述明文二进制升级文件进行ECDSA数字签名，得到ECDSA数字签名后的二进制升级文件；然后采用加密算法对ECDSA数字签名后的二进制升级文件进行加密，生成加密后的升级文件；
将前述公钥和加密后的升级文件发送至给电力公司主站；
升级步骤：电力公司主站接收前述公钥和加密后的升级文件，转发至AMI采集分析装备，AMI采集分析装备采用解密算法进行解密，得到ECDSA数字签名后的二进制升级文件，采用公钥对ECDSA数字签名后的二进制升级文件进行处理，得到二进制升级文件，进行升级。
2.根据权利要求1所述的用于智能电网高端AMI采集分析装备安全升级的方法，其特征是所述的公私玥对定期更换。
3.根据权利要求1所述的用于智能电网高端AMI采集分析装备安全升级的方法，其特征是所述的加密算法采用AES-128加密算法，解密算法采用与加密算法相对应的AES-128解密算法。
4.根据权利要求1所述的用于智能电网高端AMI采集分析装备安全升级的方法，其特征是所述的升级步骤中，当电力公司主站接收公钥和加密后的升级文件后，对公钥执行S1-S2的加密操作；相应的，AMI采集分析装备对加密后的公钥执行S3-S4的解密操作：
S1、电力公司主站根据待升级的AMI采集分析装备编号，提取相应设备的设备密钥MK，主站随机产生临时密钥和随机数IV；
S2、主站用设备密钥MK对临时密钥进行AES-128key wrap操作，生成加密后的临时密钥；
主站采用随机数IV和临时密钥对公钥进行AES加密运算，得到加密后的公钥以及校验值1authentication tag；
主站将临时密钥、随机数IV、加密后的公钥以及校验值1authentication tag下发给AMI采集分析装备；
S3、AMI采集分析装备收到主站发送的临时密钥、随机数IV、加密后的公钥以及校验值1，提取自身的设备密钥MK；
S4、AMI采集分析装备采用设备密钥MK对加密后的临时密钥进行AES-128unwrap操作，若unwrap操作失败则记录unwrap失败事件，拒绝公钥更新，否则，unwrap操作成功，获取临时密钥；
AMI采集分析装备采用临时密钥和随机数IV对加密后的公钥进行校验值计算，获取校验值2，对比校验值1和校验值2，如果一致，则验证通过，继续执行，否则，验证失败，记录此次验证失败；
AMI采集分析装备采用临时密钥和随机数IV对加密后的公钥进行AES运算，得到公钥。
5.根据权利要求4所述的用于智能电网高端AMI采集分析装备安全升级的方法，其特征是对于非法入侵即unwrap操作失败或者校验值比对失败，AMI采集分析装备将前述事件记录并上报至主站系统。
6.一种权利要求1-3之一的用于智能电网高端AMI采集分析装备安全升级的方法所采用的设备升级系统，其特征在于，该升级系统包括升级文件生成单元，该单元执行以下操作：生成ECDSA数字签名的公私玥对，进行保存；生成二进制升级文件，采用私玥对前述明文二进制升级文件进行ECDSA数字签名，得到ECDSA数字签名后的二进制升级文件；然后采用加密算法对ECDSA数字签名后的二进制升级文件进行加密，生成加密后的升级文件；将前述公钥和加密后的升级文件发送至给电力公司主站。
7.一种权利要求1-3之一的用于智能电网高端AMI采集分析装备安全升级的方法所采用的AMI采集分析装备，其特征在于，该装备包括解密单元，该单元执行以下操作：AMI采集分析装备采用解密算法进行解密，得到ECDSA数字签名后的二进制升级文件，采用公钥对ECDSA数字签名后的二进制升级文件进行处理，得到二进制升级文件，进行升级。
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