CN111447067A - 一种电力传感设备加密认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力传感设备加密认证方法，涉及电气工程科学领域，本发明采用物联网云服务平台和区块链管理算法框架，通过可以运行于云平台和设备端的区块链认证和加密算法，实现电力传感设备接入云平台的安全认证。具体通过构建出一个具有去中心化特点的电力传感设备身份认证架构，实现在无需可信第三方介入的情况下，达到设备与设备、设备与平台之间的身份双向认证，使得设备间能够验证彼此身份，从而建立起信任关系，以实现后续数据交互行为等功能。本发明保证了电力传感设备采集所获得的电力数据的安全性与可靠性。

Description

一种电力传感设备加密认证方法

技术领域

本发明涉及智能电网技术领域，特别是一种电力传感设备加密认证方法。

背景技术

随着物联网、互联网等新一代信息技术与智能电网的有效融合，促使传统电网逐步向智能电网双向互动服务模式转型，电力管理部门能够借助智能终端及时掌握与了解电力设施运行情况以及设备故障、环境信息等内容，从而对电力运维进行合理安排。与传统电网相比新型电网的异构智能终端多样化、网络安全防护边界泛在化、业务安全接入需求多样化，这也直接增加了电力终端信息泄露、非法接入以及失控等一系列安全风险，加大了异构智能终端的安全防护难度，致使异构终端的漏洞挖掘、完整性保护、机密性保护以及攻击防御难度显著增加，同时对不同种类的智能终端以及移动终端的接入方式与安全防护提出了更加严格的要求。在对智能电网进行安全检查时发现，很多电力信息系统终端由于弱口令的安全脆弱性、远程服务防护不足等，使得终端安全防护存在一定的不足之处。

当前大量电力监测传感设备已经广泛应用于电力输变配等电力监测领域，这些监测系统的建设方案，一般都是采用将海量传感器获取的感知数据通过汇聚节点，上传至接入节点，并最终通过网络层的接入控制器和控制网关进入云平台的服务器。该方案本质上仍然是一个中心化的分布式网络结构，当面临着数以亿计的海量物联网终端设备接入和数据传输时，设备接入认证是需要解决的重要问题：

电力物联网终端设备随着数据价值的增长，将成为黑客恶意攻击的潜在对象。如著名的僵尸物联网(botnets of things)，据公开报道数据，该僵尸网络已累计感染超过200万台摄像机等物联网设备，并发起的DDo S攻击，导致美国域名解析服务提供商Dyn瘫痪。

当前电力传感设备的安全认证方案一般采用硬件加密和软件算法加密两种方式。硬件加密一般通过增加加密设备，如加密接入设备或加密网关等通信设备，实现通信安全认证；软件加密一般采用数据加密算法或加密通信协议等技术以保证通信安全。

现有的硬件和软件加密方法，其本质上还是基于以远程管理平台或云服务平台为中心的加密架构，其安全性主要依赖于密码学强度，在攻击者计算能力与日俱增的今天，如量子计算机的出现，使得这些方案的安全性也逐渐减弱；同时，硬件加密设备会增加系统成本，并增加系统安装部署和运维复杂性；软件加密算法，则对电力传感终端设备的计算能力、存储能力和能耗等都提出了更高要求，不适用于海量电力传感终端的应用推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种电力传感设备加密认证方法，构建出一个具有去中心化特点的电力传感设备身份认证架构，实现在无需可信第三方介入的情况下，达到设备与设备、设备与平台之间的身份双向认证管理；保证了电力传感设备采集所获得的电力数据的安全性与可靠性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种电力传感设备加密认证方法，包括以下步骤：

通过电力传感设备或汇聚节点、与网关设备构成电力传感数据区块链系统；

网关设备与远程管理平台之间构成一个电力信息存储区块链系统；

电力传感设备采集电力数据，电力数据签名加密后经上一层的汇聚节点上报至网关设备或直接加密上报至网关设备，在电力传感数据区块链系统中申请数据区块上链；加密后的电力数据经过验证后，将验证过的数据以区块的形式存储在电力信息存储区块链中，从而完成电力传感设备接入远程管理平台的安全认证。

作为本发明所述的一种电力传感设备加密认证方法进一步优化方案，网关设备将下层区域的电力传感设备认证数据，再上报到由边缘网关和管理平台构成的上层区块链中，存储在电力信息存储区块链中，完成电力传感设备接入远程管理平台的安全认证。

作为本发明所述的一种电力传感设备加密认证方法进一步优化方案，电力传感设备每次采集所获得的电力数据，利用其秘钥对采集数据进行Keccak算法加密，对加密后的电力传感数据，采用ECDSA算法进行签名后连同加密数据的Hash值一起形成区块申请上链。

作为本发明所述的一种电力传感设备加密认证方法进一步优化方案，在电力数据的上报与存储过程中，使用非对称加密与签名体系；存储聚合电力数据的区块链服务器节点通过PBFT共识机制同步电力信息数据账本。

作为本发明所述的一种电力传感设备加密认证方法进一步优化方案，在电力传感数据区块链系统中，网关设备作为区块链交易的主设备，电力传感终端设备或汇聚节点是从设备；由主设备构建一个区块链信任域，该信任域内的从设备是在网关通信区域内的电力传感设备或汇聚节点。

作为本发明所述的一种电力传感设备加密认证方法进一步优化方案，电力信息存储区块链系统中，远程管理平台作为主设备，网关设备为从设备，电力传感设备采集所获得的电力数据，利用其秘钥对采集数据进行加密，对加密后的电力传感数据进行签名后连同加密数据的Hash值存储在远程管理平台上。

作为本发明所述的一种电力传感设备加密认证方法进一步优化方案，电力传感设备采集数据上报认证的具体过程如下：

步骤1：电力传感设备采集到各种传感数据后，根据传感网络通信协议生成上发数据包；

步骤2：对上发数据包采用Keccak加密算法，加密传感数据得到密文；

步骤3：为密文生成签名及其Hash值；

步骤4：将加密后的密文、Hash值和数据生成的时间戳上报给区域内的区块链节点；区块链节点包括边缘网关和汇聚节点；

步骤5：其他区块链节点对数据进行签名验证和Hash值验证：如果为真，该采集数据真实有效；如果为假，丢弃该数据，并重新召测。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明提出了一种电力传感设备加密认证方法，以区块链技术为基础，可根据电力应用场景部署要求和使用条件，应用于电力传感终端设备和边缘设备中，支持电力物联传感设备的加密通信和安全认证；

(2)借助区块链的不可篡改性和可追溯性，将证实设备身份合法的关键数据以区块链交易的形式存储在由多个分布式区块链节点共同维护的区块链账本中，而并不由某个可信第三方生成与管理；以此构建出一个具有去中心化特点的电力传感终端设备身份认证架构；

(3)本发明保证了电力传感设备采集所获得的电力数据的安全性与可靠性。

附图说明

图1是分层区块链结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定内部程序、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

针对目前电力传感数据加密方法的不足，采用区块链技术，提出一种电力设备的身份认证解决方案。可根据电力应用场景部署要求和使用条件，应用于电力传感终端设备和边缘设备中，支持电力物联传感设备的加密通信和安全认证。

采用物联网云服务平台和区块链管理算法框架，通过可以运行于云平台和设备端的区块链认证和加密算法，通过电力设备、边缘设备和云平台构建区块链，并利用区块链技术的去中心化、不可篡改、集体维护等特性，实现电力设备入网的安全认证。

所述方法中利用区块链技术存储电力传感设备所上报的各类传感数据，这些数据可直接发送给网关设备，或经汇聚节点传给网关设备，经过验证后，存储在电力信息存储区块链中。

所述加密认证方法是：电力传感设备每次采集所获得的电力数据，利用其秘钥对采集数据进行Keccak算法加密，对加密后的电力传感数据，采用ECDSA算法进行签名后连同加密数据的Hash值一起形成区块申请上链。

本方案的系统结构图见附图1。电力传感终端设备或汇聚节点，与边缘网关设备构成一个小型区域内的电力传感数据区块链系统。在这个系统中，边缘网关作为区块链交易的主设备，传感终端设备或汇聚节点是从设备。由主设备构建一个区块链信任域，该信任域内的从设备是在边缘网关通信区域内的传感终端设备或汇聚节点。

边缘网关或边缘代理设备之间，以及边缘网关设备与远程管理平台之间构成一个大型电力信息存储区块链系统。在这个大型区块链系统中，远程管理平台作为主设备，边缘网关设备为从设备。远程管理平台上运行的应用服务可为监控中心与运维人员提供各类电力信息监测数据，如通过运维人员可通过移动APP使用管理平台提供的信息查询、运维检修和查询服务等。

在本发明方案中，利用区块链技术存储电力传感设备所上报的各类传感数据，这些数据可直接发送给网关设备，或经汇聚节点传给网关设备，经过验证后，存储在电力信息存储区块链中。在该区块链中，传感设备可以向汇聚节点或边缘网关上报本设备传感器采集的数据。

电力边缘网关将下层区域的传感设备认证数据，再上报到由边缘网关和管理平台构成的上层区块链中，经过验证后，完成电力设备接入管理平台的安全认证。

电力传感设备采集的各种电力信息，签名加密后上报到上一层的数据聚合节点，或直接加密上报到边缘网关，在电力传感数据区块链中申请数据区块上链。在数据的上报与存储过程中，使用非对称加密与签名体系，对电力传感数据的签名与加密算法分别由(Gsig,Ssig,Vsig)(生成、签名、验证)与(Genc,Eenc,Denc)(生成、加密、解密)表示。存储聚合电力数据的区块链服务器节点通过PBFT共识机制同步电力信息数据账本。

系统初始化与实体注册

边缘网关设备使用密钥与签名生成算法Genc与Gsig生成相应的系统安全参数，为传感设备或汇聚节点生成并派发密钥，传感终端设备或汇聚节点集合{u1,u2,…,um}获得加密密钥对(SK-S-enc,PK-S-enc)以及签名密钥对(SK-S-sig,PK-S-sig)，边缘网关设备集合{a1,a2,…,an}获得加密密钥对(SK-G-enc,PK-G-enc)以及签名密钥对(SK-G-sig,PK-G-sig)。

系统初始化包括：边缘网关作为主设备创建信任域请求交易，实体注册包括：从设备产生的关联信任域请求交易。

传感设备采集数据上报认证流程

传感设备每次采集所获得的电力数据，利用其秘钥对采集数据进行Keccak算法加密，对加密后的电力传感数据，采用ECDSA算法进行签名后连同加密数据的Hash值一起形成区块申请上链。具体认证流程如下：

步骤1：电力传感设备采集到各种数据后，根据传感网络通信协议生成上发数据包。

步骤2：采用Keccak加密算法加密传感数据得到密文；

步骤3：为密文生成签名及其Hash值；

步骤4：将加密后的密文，Hash值和数据生成的时间戳上报给区域内的边缘网关、汇聚节点等区块链节点；

步骤5：其他区块链节点对数据进行签名验证和Hash值验证：如果为真，该采集数据真实有效；如果为假，丢弃该数据，并重新召测。

以上详细描述了本发明的具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电力传感设备加密认证方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过电力传感设备或汇聚节点、与网关设备构成电力传感数据区块链系统；

网关设备与远程管理平台之间构成一个电力信息存储区块链系统；

电力传感设备采集电力数据，电力数据签名加密后经上一层的汇聚节点上报至网关设备或直接加密上报至网关设备，在电力传感数据区块链系统中申请数据区块上链；加密后的电力数据经过验证后，将验证过的数据以区块的形式存储在电力信息存储区块链中，从而完成电力传感设备接入远程管理平台的安全认证。

2.根据权利要求1所述的一种电力传感设备加密认证方法，其特征在于，网关设备将下层区域的电力传感设备认证数据，再上报到由边缘网关和管理平台构成的上层区块链中，存储在电力信息存储区块链中，完成电力传感设备接入远程管理平台的安全认证。

3.根据权利要求1所述的一种电力传感设备加密认证方法，其特征在于，电力传感设备每次采集所获得的电力数据，利用其秘钥对采集数据进行Keccak算法加密，对加密后的电力传感数据，采用ECDSA算法进行签名后连同加密数据的Hash值一起形成区块申请上链。

4.根据权利要求1所述的一种电力传感设备加密认证方法，其特征在于，在电力数据的上报与存储过程中，使用非对称加密与签名体系；存储聚合电力数据的区块链服务器节点通过 PBFT 共识机制同步电力信息数据账本。

5.根据权利要求1所述的一种电力传感设备加密认证方法，其特征在于，在电力传感数据区块链系统中，网关设备作为区块链交易的主设备，电力传感终端设备或汇聚节点是从设备；由主设备构建一个区块链信任域，该信任域内的从设备是在网关通信区域内的电力传感设备或汇聚节点。

6.根据权利要求1所述的一种电力传感设备加密认证方法，其特征在于，电力信息存储区块链系统中，远程管理平台作为主设备，网关设备为从设备，电力传感设备采集所获得的电力数据，利用其秘钥对采集数据进行加密，对加密后的电力传感数据进行签名后连同加密数据的Hash值存储在远程管理平台上。

7.根据权利要求1所述的一种电力传感设备加密认证方法，其特征在于，电力传感设备采集数据上报认证的具体过程如下：

步骤1：电力传感设备采集到各种传感数据后，根据传感网络通信协议生成上发数据包；

步骤2：对上发数据包采用Keccak加密算法，加密传感数据得到密文；

步骤3：为密文生成签名及其Hash值；

步骤4：将加密后的密文、Hash值和数据生成的时间戳上报给区域内的区块链节点；区块链节点包括边缘网关和汇聚节点；

步骤5：其他区块链节点对数据进行签名验证和Hash值验证：如果为真，该采集数据真实有效；如果为假，丢弃该数据，并重新召测。

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