CN113904769B - 一种基于量子加密的配电自动化加固实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于量子加密的配电自动化加固实现方法,包括以下步骤:1)在配电终端以及主站量子加密机内预置数量为n的量子密钥,2)同样以量子随机数发生器产生的量子真随机数作为密钥源,在主站量子加密机里面生成量子密钥池B,3)完成在线更新量子密钥,4)配电终端获得B级密钥池后,在B级密钥池中选出一个B级密钥对日常电力业务报文指令进行加密,5)通过步骤1)‑步骤4)实现的量子加密。与现有技术相比,本发明应用量子加密技术在电网配电自动化领域,能够防止重要的计量数据被大范围修改,实现电网远程安全控制,提升社会发展价值。对原有网络架构不产生影响,应用灵活,易于扩展,易于部署验证,实现深度安全防护。
Description
技术领域
本发明涉及量子保密通信应用技术领域,特别涉及一种基于量子加密的配电自动化加固实现方法。
背景技术
随着能源互联网建设的不断推进,更多的新型电力用能设施大量接入,新能源大规模并网,电网形态越来越复杂。点多面广的电网接入设备,对电网通信安全也提出了更高的要求。以杭州电网为例,以浙江电力有限公司为例,已投运各类配电自动化终端就有50万余套,截止目前,全市投运各类配电自动化终端五十万余套,其中接近95%的终端采用无线公网方式通信,余下约4%的终端采用光纤通信。出于信息安全、通信成本两方面考虑,架空线路智能开关无线远程遥控操作功能一直未启用。在政治保电、安全演练期间,无线接入设备一直是配电网最大安全隐患。应用量子加密技术,可以启用无线远程操作功能,突破原有技术瓶颈,进而挖掘存量设备的海量通信资源,在安全的前提下提升电力系统控制能力。
现阶段的配电自动化强调实时双向交互,业务领域的关注点聚焦在主站侧安全防护、终端对主站的认证。由于配电自动化终端数量众多,且旧型号的终端无法支持报文加密,因此配电自动化系统中主要采用单向认证的兼容模式。用电信息采集业务还面临部署地点开放,非法用户可通过伪造或者篡改终端的方式窃取数据的问题。针对密钥遭到截取或泄露、加密保护措施不足通信过程安全控制欠缺、通信遭到监听等情况,终端侧及接入网汇聚侧亟需有效的安全防护措施。
发明内容
本发明提供一种基于量子加密的配电自动化加固实现方法,能够解决电网配电通信过程中密钥遭到截取或泄露、加密保护措施不足通信过程安全控制欠缺、通信遭到监听等情况的技术性缺陷,具体如下:
本发明的技术方案是这样实现的:
一种基于量子加密的配电自动化加固实现方法,包括以下步骤:
1)在配电终端以及主站量子加密机内预置数量为n的量子密钥,所述量子密钥为量子随机数发生器产生的量子真随机数,所述量子真随机数为密钥源,所述密钥源称为A级密钥池,每个量子密钥都有唯一的编号q,且每个配电终端预置不同的量子密钥;
2)同样以量子随机数发生器产生的量子真随机数作为密钥源,在主站量子加密机里面生成量子密钥池,所述量子密钥池称为B级密钥池,所述B级密钥池用于在线分发到配电终端;
3) 在线更新量子密钥,在A级密钥池里,选取密钥编号q1,作为密钥加密密钥,并采用对称加密方式,加密B级密钥池密钥,然后分发到配电终端,一次更新多个B级密钥池密钥;
4)配电终端获得B级密钥池后,在B级密钥池中选出一个B级密钥对日常电力业务报文指令进行加密,直至B级密钥池中的密钥用完,再通过步骤3)更新B级密钥池;
5)通过步骤1)-步骤4)实现的量子加密,对电网加密报文进行二次加密解密,实现对原有加密机制的兼容,完成量子加密算法和电网加密算法的混合。
优选地,所述主站量子加密机内设置有量子随机数发生器,所述配电终端内设置有量子加密模块,所述主站量子加密机依次通过量子通道物理隔离装置以及量子通道前置通信服务器连接配电终端内的量子加密模块。
优选地,所述日常电力业务报文指令的加密方式为:先进行电网加密,再进行量子加密,所述量子加密采用SM4加密算法。
优选地,所述在线更新量子密钥包括:量子密钥更新采用配电终端主动进行更新的方式,配电终端通过量子加密模块获取量子密钥更新参数,发送报文,所述报文只经过量子加密,报文内容包含量子加密模块序列号、密钥请求参数,报文到达量子加密机侧,量子加密机解析报文,利用量子加密模块序列号对应的A级量子密钥加密更新的B级量子密钥,构造响应报文返回配电终端,配电终端再与量子加密模块交互完成量子密钥更新。
与现有技术相比,本发明有以下有益效果:
本发明基于量子加密的配电自动化加固实现方法,应用量子加密技术在电网配电自动化领域,能够防止重要的计量数据被大范围修改,实现电网远程安全控制,提升社会发展价值。本发明能够大幅提升配电自动化中无线远程遥控的安全水平。量子加密机对外提供的加解密服务、密钥分发服务,对原有网络架构不产生影响,应用灵活,易于扩展,易于部署验证,实现深度安全防护。
附图说明
图1为现有技术中电网加密原理图;
图2为本发明的基于量子加密的配电自动化加固实现方法的原理图;
图3为本发明的基于量子加密的配电自动化加固实现方法流程图;
图4为本发明的业务数据报文加密方式图表;
图5为现有技术中电网的加密信息安全协议层报文格式图表;
图6为本发明的量子加密信息安全协议层报文格式图表。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1至3所示,一种基于量子加密的配电自动化加固实现方法,包括以下步骤:
1)在配电终端以及主站量子加密机内预置数量为n的量子密钥,所述n一般设100,所述量子密钥为量子随机数发生器产生的量子真随机数,所述量子真随机数为密钥源,所述密钥源称为A级密钥池,每个量子密钥都有唯一的编号q,且每个配电终端预置不同的量子密钥;
2)同样以量子随机数发生器产生的量子真随机数作为密钥源,在主站量子加密机里面生成量子密钥池,所述量子密钥池称为B级密钥池,所述B级密钥池用于在线分发到配电终端;
3) 在线更新量子密钥,在A级密钥池里,选取密钥编号q1,作为密钥加密密钥,并采用对称加密方式,加密B级密钥池密钥,然后分发到配电终端,一次更新多个B级密钥池密钥;
4)配电终端获得B级密钥池后,在B级密钥池中选出一个B级密钥对日常电力业务报文指令进行加密,直至B级密钥池中的密钥用完,再通过步骤3)更新B级密钥池;
5)通过步骤1)-步骤4)实现的量子加密,对电网加密报文进行二次加密解密,实现对原有加密机制的兼容,完成量子加密算法和电网加密算法的混合。
所述主站量子加密机内设置有量子随机数发生器,所述配电终端内设置有量子加密模块,所述主站量子加密机依次通过量子通道物理隔离装置以及量子通道前置通信服务器连接配电终端内的量子加密模块。
如图4所示,所述日常电力业务报文指令的加密方式为:先进行电网加密,再进行量子加密,所述量子加密采用SM4加密算法。
如图5所示为量子加密信息安全协议层报文格式,在现有的101报文和104报文的基础上,增加信息安全协议层报文,如图6所示,为量子加密信息安全协议层报文格式,
其中:
1)报文长度(两字节,高位在前)和校验和都是指从报文类型开始(包括报文类型)到校验和之前的数据(阴影部分);
2)报文类型(两字节,高位在前):用于定义与终端进行数据交互的对象,并定义封装数据域的保密措施;
a) 封装数据域为密文时,量子加密取出密文,加密后重新放置到密文区组织报文;
b) 封装数据域为明文时,量子加密不需要做加解密处理;
3)应用数据区格式:1 字节长度+原始报文;
4)信息安全扩展区格式:2 字节长度+信息安全扩展信息,如信息安全扩展区为空,仍增加 2 字节的长度,内容为 00;
5)报文类型如下表:
报文类型中D5为1时表示量子加密参与处理的报文。
量子加密只对报文类型D3为1的报文加密,即只对已经采用国网加密的数据再次进行量子加密。
量子密钥更新
量子密钥更新采用配电终端主动进行更新的方式。配电终端通过量子加密模块获取量子密钥更新参数,发送报文,该报文只经过量子加密,报文内容主要包含量子加密模块序列号、密钥请求参数,报文到达量子加密机侧,量子加密机解析报文,利用量子加密模块序列号对应的A级量子密钥加密更新的B级量子密钥,构造响应报文返回配电终端,配电终端再与量子加密模块交互完成量子密钥更新。
业务报文扩展如下:
(1)配电终端到量子加密机的量子密钥更新请求报文,应用类型 0x91
报文示例:
EB xxxx EB 0021 91 NN 0C9378651257D8A7 SSSS CS D7(报文总长度不超过2K)
(2)量子加密机到配电终端的量子密钥更新报文,应用类型 0x90
报文示例:
EB xxxx EB 0021 90 MM 0C9378651257D8A7 DDDD CS D7(报文总长度不超过2K)。
综合本发明的原理可知,本发明的优点包括如下:
1、业务通道和量子通道分离
采用业务通道和量子通道双通道的模式,量子通道专门完成量子密钥的分发等管理功能报文数据的传输,业务通道完成电力配电自动化业务的操作数据传输。
动态加密
2、确保信息重要性和传输效率,对不同性质报文采用不同处理方式,实现数据的动态加密。对遥信、遥测信号采用透传模式,数据不进行量子加密传输。对重要的遥控信号,采用量子加密进行加固,通过电网加密和量子加密,实现遥控等重要控制信号的超级安全传输。
3、量子真随机数作为密钥源
密钥强度由随机数随机性质量决定,随机数的质量对于密码体系的安全性至关重要,因此随机数质量的评估是密码体系安全的一个重要环节。可以通过一些指标评估其质量,例如近似熵、自相关、二元推导等。在国家密码局商密检测中心使用如下公式评估随机数的质量:
其中α表示显著性水平, 其值为0.01; s表示样本数量。当样本数量s为1000时,计算出的通过率R=981,即每一项的测试累计和不得小于981才算通过随机性测试。本文采用的量子密钥的随机性检测结果如下,强度满足随机性要求。
Claims (1)
1.一种基于量子加密的配电自动化加固实现方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)在配电终端以及主站量子加密机内预置数量为n的量子密钥,所述量子密钥为量子随机数发生器产生的量子真随机数,所述量子真随机数为密钥源,所述密钥源称为A级密钥池,每个量子密钥都有唯一的编号q,且每个配电终端预置不同的量子密钥;
2)同样以量子随机数发生器产生的量子真随机数作为密钥源,在主站量子加密机里面生成量子密钥池,所述量子密钥池称为B级密钥池,所述B级密钥池用于在线分发到配电终端;
3) 在线更新量子密钥,在A级密钥池里,选取密钥编号q1,作为密钥加密密钥,并采用对称加密方式,加密B级密钥池密钥,然后分发到配电终端,一次更新多个B级密钥池密钥;
4)配电终端获得B级密钥池后,在B级密钥池中选出一个B级密钥对日常电力业务报文指令进行加密,直至B级密钥池中的密钥用完,再通过步骤3)更新B级密钥池;
5)通过步骤1)-步骤4)实现的量子加密,对电网加密报文进行二次加密解密,实现对原有加密机制的兼容,完成量子加密算法和电网加密算法的混合,所述主站量子加密机内设置有量子随机数发生器,所述配电终端内设置有量子加密模块,所述主站量子加密机依次通过量子通道物理隔离装置以及量子通道前置通信服务器连接配电终端内的量子加密模块,所述日常电力业务报文指令的加密方式为:先进行电网加密,再进行量子加密,所述量子加密采用SM4加密算法,所述在线更新量子密钥包括:量子密钥更新采用配电终端主动进行更新的方式,配电终端通过量子加密模块获取量子密钥更新参数,发送报文,所述报文只经过量子加密,报文内容包含量子加密模块序列号、密钥请求参数,报文到达量子加密机侧,量子加密机解析报文,利用量子加密模块序列号对应的A级量子密钥加密更新的B级量子密钥,构造响应报文返回配电终端,配电终端再与量子加密模块交互完成量子密钥更新。
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