CN112019342B - 一种电能表与主站之间的数据传输方法及其电能表 - Google Patents

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Abstract

一种电能表与主站之间的数据传输方法，包括：对电能表进行上电初始化，主站给电能表发送命令，电能表中通过安全芯片对该数字签名进行验证；安全芯片将验证结果发送给MCU，当验证正确时，则通过MCU对接收到的主站命令中的通讯帧进行解密，且当解密后的通讯帧正确时，将电能表中的数据组成数据帧，并对数据帧进行加密，之后使用安全芯片对加密后的数据帧进行签名，接着，安全芯片将数据帧的数字签名发送给MCU，最终电能表的MCU将包含有数字签名的数据帧发送给主站；反之，则电能表不响应。还公开了一种应用上述数据传输方法的电能表。该数据传输方法能同时满足suite1和suite2的安全要求。

Description

一种电能表与主站之间的数据传输方法及其电能表
技术领域
本发明涉及电能表领域，特别涉及一种电能表与主站之间的数据传输方法及其电能表。
背景技术
智能电表体系中包括主站、电表、掌机(PDA)、Root CA和SubCA，电能表将计量以及采集的数据，发送到主站中，主站收集信息，并且可以通过主站发送命令给电能表，并操作电能表，而且电能表与主站之间的通讯中需要安全保护，此保护体系的安全要求需要同时支持suite1和suite2的技术要求，具体要求参考表1智能电表安全要求，其中，在支持suite1和suite2安全技术要求中使用的用于获取公钥/私钥操作的椭圆曲线密码ECC算法需要支持p256和p384曲线，另外，需要通过ECDSA算法对数据做签名和验证签名，ECDH算法更新秘钥，并且需要AES-GCM算法进行加密解密。
Figure BDA0002562727530000011
但目前市场上的电表产品的安全级别大多数还是suite0，同时满足suite1和suite2的电能表产品还没有。因此需要进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种电能表与主站之间的数据传输方法，该数据传输方法能同时满足suite1和suite2的安全要求，降低了通讯时间，提高了通讯效率。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种电能表，该电能表通过上述的方法与主站进行数据传输。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种电能表与主站之间的数据传输方法，其特征在于：所述电能表与主站之间通讯连接，所述电能表内设置有用于实现非对称算法的安全芯片和MCU，所述安全芯片和MCU之间通讯连接，所述电能表与主站之间的数据传输方法包括以下步骤：
步骤1、将电能表进行上电初始化，并初始化该电能表内的安全芯片；
步骤2、主站与电能表之间进行通讯，主站给电能表发送命令；
步骤3、电能表中的MCU将接收的主站命令中包含的用于计算数字签名的数据以及数字签名发送给安全芯片，并通过安全芯片对该数字签名进行验证；
步骤4、安全芯片将验证结果发送给MCU，并通过MCU判断该验证结果是否正确，如是，则转入步骤5；如否，则转入步骤10；
步骤5、通过MCU对接收到的主站命令中的通讯帧进行解密；
步骤6、通过MCU判断解密后的通讯帧是否正确，如是，则电能表按照该通讯帧数据将电能表中的数据组成数据帧，并转入到步骤7；如否，则转至步骤10；
步骤7、对数据帧进行加密，得到加密后的数据帧；
步骤8、使用安全芯片对加密后的数据帧进行签名，得到数据帧的数字签名，安全芯片将数据帧的数字签名发送给MCU；
步骤9、电能表的MCU将包含有数字签名的数据帧发送给主站，结束；
步骤10、电能表不响应，结束。
具体的，所述步骤3中安全芯片对数字签名进行验证的方法为：通过在电能表中事先存储有与之通讯的主站的数字证书，安全芯片通过主站的数字证书、用于计算数字签名的数据以及数字签名验证数字签名的正确性。
在本方案中，所述主站中也事先存储有与之通讯的电能表的数字证书，用于验证电能表给主站之间发送数据的正确性。
所述步骤5中的解密方法和步骤7中的加密方法均使用对称算法AES-GCM。
所述电能表中通过AES-128key Warp算法保存对称算法AES-GCM的秘钥。
所述安全芯片实现的非对称算法包括ECDSA和ECDH算法，所述ECDSA算法用于数据帧签名及数字签名验证，所述ECDH算法用于更新秘钥。
所述非对称算法ECDSA和ECDH的秘钥均保存在安全芯片中。
所述安全芯片的型号为SE050。
所述电能表中更新数字证书的方法为：通过将需要更新的数字证书先放在备份区，等验证更新数字证书成功后，才将这个备份区的数字证书写到执行区中。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种电能表，与主站之间通讯连接，其特征在于：所述电能表与主站之间通过如上述的方法进行数据传输。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过软件实现加密算法AES-GCM，并通过硬件实现ECDSA和ECDH算法，使该电能表与主站之间的通讯能同时满足suite1和suite2的安全技术要求，且缩短了安全算法的整体时间，提高了通讯效率，降低了电能表的掉电功耗。
附图说明
图1为本发明实施例中电能表与主站之间的数据传输方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，电能表与主站之间通讯连接，电能表内设置有用于实现非对称算法的安全芯片和MCU，安全芯片和MCU之间通讯连接，电能表与主站之间的数据传输方法包括以下步骤：
步骤1、将电能表进行上电初始化，并初始化该电能表内的安全芯片；
步骤2、主站与电能表之间进行通讯，主站给电能表发送命令；
步骤3、电能表中的MCU将接收的主站命令中包含的用于计算数字签名的数据以及数字签名发送给安全芯片，并通过安全芯片对该数字签名进行验证；
其中，安全芯片对数字签名进行验证的方法为：通过在电能表中事先存储有与之通讯的主站的数字证书，安全芯片通过主站的数字证书、用于计算数字签名的数据以及数字签名验证数字签名的正确性；
步骤4、安全芯片将验证结果发送给MCU，并通过MCU判断该验证结果是否正确，如是，则转入步骤5；如否，则转入步骤10；
步骤5、通过MCU对接收到的主站命令中的通讯帧进行解密；
步骤6、通过MCU判断解密后的通讯帧是否正确，如是，则电能表按照该通讯帧数据将电能表中的数据组成数据帧，并转入到步骤7；如否，则转至步骤10；
步骤7、对数据帧进行加密，得到加密后的数据帧；
步骤8、使用安全芯片对加密后的数据帧进行签名，得到数据帧的数字签名，安全芯片将数据帧的数字签名发送给MCU；
步骤9、电能表的MCU将包含有数字签名的数据帧发送给主站，结束；
步骤10、电能表不响应，结束。
同样的，为了保证电能表与主站之间的安全通讯，主站中也事先存储有与之通讯的电能表的数字证书，用于验证电能表给主站之间发送数据的正确性。
本实施例中，步骤5中的解密方法和步骤7中的加密方法均使用对称算法AES-GCM。该对称算法AES-GCM为现有的智能电表中常使用的加密和解密方法，现有的智能电表中常采用硬件的方式实现，所需要的时间长，效率低；本实施例中，使用软件的方式实现该AES-GCM算法，能缩短安全算法的整体时间，提高通讯效率。
另外，安全芯片实现的非对称算法包括ECDSA和ECDH算法，ECDSA算法用于数据帧签名及数字签名验证，ECDH算法用于更新对称算法AES-GCM的秘钥。本实施例中，非对称算法ECDSA和ECDH的秘钥均保存在安全芯片中，通过硬件的方式实现非对称算法。本实施例中，安全芯片的型号为SE050，其中安全芯片与MCU之间通过IIC实现通讯连接。
电能表中更新数字证书的方法为：通过将需要更新的数字证书先放在备份区，等验证更新数字证书成功后，才将这个备份区的数字证书写到执行区中。这种更新数字证书的方法能在更新数字证书过程中，但数字证书未更新完成时电能表突然掉电时，不会覆盖掉之前的数字证书，从而能保证后续通讯验证成功，因此该更新数字证书的方法更加安全可靠，不会因表计更新数字证书失败，导致原先的数字证书被修改替换。
另外，现有的电能表中对于秘钥存储安全性级别不高，都是明文存储；秘钥是明文的话，安全级别低，容易被别人获取，因此本实施例中，电能表中通过AES-128key Warp算法保存对称算法AES-GCM的秘钥，通过AES-128key Warp算法保存对称算法AES-GCM的秘钥，就算别人获取到AES-GCM的秘钥，没有AES-128key Warp加密使用的秘钥也不能解密出来，相当于白获取了，而且AES-128key warp算法占用电能表中MCU的资源少，提高了秘钥的安全性。
一种电能表，与主站之间通讯连接，电能表与主站之间通过如上述的方法进行数据传输。
本发明中通过软件实现对称算法，通过硬件实现非对称算法的方式，使该电能表能同时满足suite1和suite2的安全技术要求，且缩短了通讯时间，提高了通讯效率；该电能表中只需远程通过软件更新加密算法，即可使电能表满足安全要求，因此需要更换电能表，提高了电能表的使用寿命和成本，更易于维护；另外，通过安全芯片即可实现非对称算法，不需要开发人员的工作，直接使用即可实现非对称算法，大大缩短了产品的上市时间，有利于新市场的开拓。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电能表与主站之间的数据传输方法，其特征在于：所述电能表与主站之间通讯连接，所述电能表内设置有用于实现非对称算法的安全芯片和MCU，所述安全芯片和MCU之间通讯连接，所述电能表与主站之间的数据传输方法包括以下步骤：
步骤1、将电能表进行上电初始化，并初始化该电能表内的安全芯片；
步骤2、主站与电能表之间进行通讯，主站给电能表发送命令；
步骤3、电能表中的MCU将接收的主站命令中包含的用于计算数字签名的数据以及数字签名发送给安全芯片，并通过安全芯片对该数字签名进行验证；
步骤4、安全芯片将验证结果发送给MCU，并通过MCU判断该验证结果是否正确，如是，则转入步骤5；如否，则转入步骤10；
步骤5、通过MCU对接收到的主站命令中的通讯帧进行解密；
步骤6、通过MCU判断解密后的通讯帧是否正确，如是，则电能表按照该通讯帧数据将电能表中的数据组成数据帧，并转入到步骤7；如否，则转至步骤10；
步骤7、对数据帧进行加密，得到加密后的数据帧；
步骤8、使用安全芯片对加密后的数据帧进行签名，得到数据帧的数字签名，安全芯片将数据帧的数字签名发送给MCU；
步骤9、电能表的MCU将包含有数字签名的数据帧发送给主站，结束；
步骤10、电能表不响应，结束；
所述步骤5中的解密方法和步骤7中的加密方法均使用对称算法AES-GCM；
所述安全芯片实现的非对称算法包括ECDSA和ECDH算法，所述ECDSA算法用于数据帧签名及数字签名验证，所述ECDH算法用于更新秘钥。
2.根据权利要求1所述的电能表与主站之间的数据传输方法，其特征在于：所述步骤3中安全芯片对数字签名进行验证的方法为：通过在电能表中事先存储有与之通讯的主站的数字证书，安全芯片通过主站的数字证书、用于计算数字签名的数据以及数字签名验证数字签名的正确性。
3.根据权利要求1所述的电能表与主站之间的数据传输方法，其特征在于：所述主站中也事先存储有与之通讯的电能表的数字证书，用于验证电能表给主站之间发送数据的正确性。
4.根据权利要求1所述的电能表与主站之间的数据传输方法，其特征在于：所述电能表中通过AES-128key Warp算法保存对称算法AES-GCM的秘钥。
5.根据权利要求1所述的电能表与主站之间的数据传输方法，其特征在于：所述非对称算法ECDSA和ECDH的秘钥均保存在安全芯片中。
6.根据权利要求1所述的电能表与主站之间的数据传输方法，其特征在于：所述安全芯片的型号为SE050。
7.根据权利要求1所述的电能表与主站之间的数据传输方法，其特征在于：所述电能表中更新数字证书的方法为：通过将需要更新的数字证书先放在备份区，等验证更新数字证书成功后，才将这个备份区的数字证书写到执行区中。
8.一种电能表，与主站之间通讯连接，其特征在于：所述电能表与主站之间通过如权利要求1～7任一项所述的方法进行数据传输。
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