基于標(biāo)識密碼算法的電力物聯(lián)網(wǎng)安全通信機(jī)制研究

王 睿，馬 雷，劉 新，劉冬蘭，張 昊

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

電力物聯(lián)網(wǎng)是圍繞發(fā)、輸、變、配、用電等各環(huán)節(jié)，充分應(yīng)用“大云物移智鏈”等先進(jìn)信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機(jī)交互，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活特征的智能化服務(wù)系統(tǒng)［1］。電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全是保障電力安全穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)。

在國家新型電力系統(tǒng)戰(zhàn)略目標(biāo)指引下，電力物聯(lián)網(wǎng)已廣泛開展建設(shè)，充電樁、用電采集終端、手持作業(yè)終端等電力物聯(lián)網(wǎng)終端將以數(shù)百萬級甚至千萬級的數(shù)量接入電網(wǎng)中。為保障電力業(yè)務(wù)安全，電力物聯(lián)網(wǎng)終端通常需要安全接入邊緣物聯(lián)代理，進(jìn)一步接入電力物聯(lián)網(wǎng)平臺層。由于物聯(lián)終端計算能力有限，傳統(tǒng)基于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（Public Key Infrastructure，PKI）的身份認(rèn)證體系，在數(shù)字證書創(chuàng)建、分發(fā)、注銷等過程中，面臨數(shù)字證書體積大，認(rèn)證時帶寬、功耗要求高等問題，不適用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下海量終端的身份認(rèn)證需求［2-3］。相比之下，基于身份標(biāo)識的密碼技術(shù)（Identity-based Cryptography，IBC），如國密SM9算法，以終端身份標(biāo)識作為公鑰，公鑰可以由身份信息直接計算出來，不必再用證書綁定公鑰和身份，具有公鑰管理成本低廉、不需要證書、支持離線認(rèn)證、運營管理成本低等優(yōu)勢［4］。標(biāo)識密碼算法已在物聯(lián)網(wǎng)終端安全認(rèn)證、數(shù)據(jù)安全通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［5-8］。

因此，基于標(biāo)識密碼算法，設(shè)計適用于電力物聯(lián)網(wǎng)邊緣環(huán)境的安全通信機(jī)制，可實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)終端輕量級安全接入邊緣物聯(lián)代理，保障底層終端通信的安全性。

1 電力物聯(lián)網(wǎng)終端安全接入現(xiàn)狀

當(dāng)前“逆全球化”持續(xù)升溫，網(wǎng)絡(luò)攻擊手段不斷演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)空間已成為大國戰(zhàn)略博弈的重要領(lǐng)域。近年來，電力網(wǎng)絡(luò)安全攻擊事件頻發(fā)，烏克蘭、委內(nèi)瑞拉等電力系統(tǒng)屢遭網(wǎng)絡(luò)攻擊或病毒勒索，輕者造成企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，重則引發(fā)大范圍停電嚴(yán)重破壞社會經(jīng)濟(jì)運轉(zhuǎn)，電力網(wǎng)絡(luò)安全形勢日趨嚴(yán)峻［9］。電網(wǎng)作為關(guān)系國計民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施，安全防護(hù)日益受到國家重視。

電力物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。如圖1 所示，電力物聯(lián)網(wǎng)包含感知層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層4 層結(jié)構(gòu)，覆蓋“云-管-邊-端”技術(shù)架構(gòu)體系［2］。在電力物聯(lián)網(wǎng)邊緣環(huán)境中，電力物聯(lián)網(wǎng)智能業(yè)務(wù)終端主要實現(xiàn)物體狀態(tài)采集、就地處理與物聯(lián)接入；邊緣物聯(lián)代理負(fù)責(zé)對各類智能傳感器、智能業(yè)務(wù)終端進(jìn)行統(tǒng)一接入、數(shù)據(jù)解析和實時計算［10］。邊緣物聯(lián)代理可接入各種不同終端，聯(lián)通本地通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)。

圖1 電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

隨著電力物聯(lián)網(wǎng)的深入建設(shè)，大量電力物聯(lián)網(wǎng)終端通過邊緣物聯(lián)代理接入電網(wǎng)中。然而，由于安全漏洞、網(wǎng)絡(luò)入侵手段不斷增加以及網(wǎng)絡(luò)邊界日趨模糊，不安全的終端接入將為電網(wǎng)安全帶來極大的安全風(fēng)險隱患，數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸時，極易遭到數(shù)據(jù)竊聽、數(shù)據(jù)篡改等破壞性行為，影響通信安全。同時，電力物聯(lián)網(wǎng)終端朝著小型化、低成本方向發(fā)展，目前電力信息系統(tǒng)主要采用基于數(shù)字證書的公鑰密碼技術(shù)進(jìn)行安全認(rèn)證和數(shù)據(jù)防護(hù)［11］，向海量終端部署數(shù)字證書將帶來極大的硬件成本和管理開銷。因此，在電力物聯(lián)網(wǎng)終端北向接入邊緣物聯(lián)代理時，亟須形成輕量級的安全接入方案，以有效解決電力終端規(guī)模化接入及終端通信安全難題［10-12］。

基于標(biāo)識密碼算法的認(rèn)證加密技術(shù)可以有效解決電力系統(tǒng)規(guī)模化安全認(rèn)證問題［11］。標(biāo)識密碼算法是一種無證書非對稱密碼認(rèn)證技術(shù)，根據(jù)用戶標(biāo)識信息即可生成公私鑰用于認(rèn)證過程，無須第三方認(rèn)證中心保障公鑰合法性，免去了證書創(chuàng)建及維護(hù)過程，具有安全、高效、可靠等技術(shù)優(yōu)勢，適用于電力物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境［10-12］。

2 基于標(biāo)識密碼算法的電力物聯(lián)網(wǎng)安全通信機(jī)制研究

2.1 基于密碼的安全通信研究

密碼是信息安全的核心，在保障大電網(wǎng)安全、電網(wǎng)經(jīng)營管理和社會服務(wù)方面發(fā)揮著重要作用。密碼體系通常可分為對稱密碼體制及非對稱密碼體制兩類［13］。對稱密碼體制加解密使用同一密鑰，具有運行速度快、配置簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)勢。然而，對稱密碼一般不具有數(shù)字簽名、不可否認(rèn)性等特性；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，面臨密碼分發(fā)、密鑰管理等可擴(kuò)展問題；終端密鑰泄露，將會導(dǎo)致與該終端共享密鑰的所有其他終端面臨通信安全問題。非對稱密碼體制使用公鑰和私鑰兩類密鑰進(jìn)行密碼操作，有效解決了密碼分發(fā)、抗抵賴性等技術(shù)難題。然而，在傳統(tǒng)PKI 體系中，公鑰是隨機(jī)計算生成的一串?dāng)?shù)字，必須通過數(shù)字證書才能與用戶的身份關(guān)聯(lián)到一起，數(shù)字證書的創(chuàng)建、查找、撤銷等都涉及復(fù)雜的計算開銷和存儲開銷，這些問題嚴(yán)重限制了其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用。

標(biāo)識密碼算法由傳統(tǒng)PKI 基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展而來，公鑰可以是任意的字符數(shù)據(jù)，能方便直接關(guān)聯(lián)到用戶的身份或角色，用戶私鑰由私鑰產(chǎn)生中心（Private Key Generator，PKG）計算生成，無須經(jīng)過證書交換以及建設(shè)昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施，基于用戶標(biāo)識即可完成通信功能［14］。基于標(biāo)識密碼算法的加密通信機(jī)制可以有效降低密鑰管理成本，降低網(wǎng)絡(luò)資源消耗，特別適用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。

2.2 基于標(biāo)識密碼算法的電力物聯(lián)網(wǎng)安全通信架構(gòu)設(shè)計

在電力物聯(lián)網(wǎng)邊緣環(huán)境中，由于部分邊緣物聯(lián)網(wǎng)代理與電力物聯(lián)網(wǎng)終端之間尚未采用密碼技術(shù)，面臨數(shù)據(jù)竊聽、數(shù)據(jù)偽造、身份偽造等安全挑戰(zhàn)。在海量終端接入情況下，傳統(tǒng)基于PKI 機(jī)制的安全認(rèn)證面臨巨大的軟硬件成本和管理開銷。

為實現(xiàn)終端輕量級安全接入及加密通信，如圖2所示，設(shè)計一種基于標(biāo)識密碼算法的電力物聯(lián)網(wǎng)安全通信架構(gòu)。整個安全通信架構(gòu)由電力物聯(lián)網(wǎng)終端、邊緣物聯(lián)代理、安全接入平臺（密鑰生成中心）構(gòu)成。整個安全通信架構(gòu)分為系統(tǒng)建立、密鑰提取以及安全接入3個階段。

圖2 基于標(biāo)識密碼算法的電力物聯(lián)網(wǎng)安全通信架構(gòu)

系統(tǒng)建立階段。在安全接入平臺部署密鑰生成中心PKG，選定特定雙線性對e：G1×G1→G2，生成主密鑰s和系統(tǒng)公鑰Ppub=sP。其中，G1為循環(huán)加法群，G2為循環(huán)乘法群，P為G1的生成元。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為公開，而主密鑰只有PKG持有。

密鑰提取階段。為每個終端分配具有可用于通信識別的唯一標(biāo)識Ii。基于每個電力物聯(lián)網(wǎng)終端的身份信息Ii，利用Map-to-point 哈希函數(shù)H1生成對應(yīng)的公鑰Qi=H1(Ii)，終端私鑰由PKG 通過計算Si=sQi得到，用于標(biāo)識密碼算法加解密操作。為避免不安全鏈路導(dǎo)致密鑰外泄，私鑰在出廠階段預(yù)置到每個終端中，可設(shè)定相應(yīng)時間在規(guī)定日期內(nèi)有效。

安全接入階段。邊緣物聯(lián)代理可通過安全接入?yún)^(qū)、安全接入網(wǎng)關(guān)等機(jī)制接入安全接入平臺，完成自身身份認(rèn)證工作，確保邊緣物聯(lián)代理身份的合法性。隨后，當(dāng)智能巡檢機(jī)器人、配網(wǎng)終端等電力物聯(lián)網(wǎng)終端接入網(wǎng)絡(luò)時，與邊緣物聯(lián)代理利用基于標(biāo)識密碼算法的認(rèn)證與密鑰協(xié)商機(jī)制進(jìn)行身份認(rèn)證與密鑰協(xié)商，在完成身份認(rèn)證的同時建立加密鏈路，保障數(shù)據(jù)的安全傳輸。只有通過合法身份認(rèn)證的終端，才被允許通過邊緣物聯(lián)代理接入電力物聯(lián)網(wǎng)中，避免了非法終端不安全接入的風(fēng)險。在允許兩個電力物聯(lián)網(wǎng)終端直接通信，且兩終端有通信需求時，可采用同樣的認(rèn)證與密鑰協(xié)商機(jī)制，在識別雙方身份的可信性后，雙方進(jìn)行加密通信。

在整個安全通信體系中，通信雙方根據(jù)對方標(biāo)識Ii即可直接進(jìn)行認(rèn)證與加密通信，避免了傳統(tǒng)PKI體系所需的證書請求、證書驗證等流程，在保障數(shù)據(jù)安全性的同時，降低了硬件成本、通信負(fù)擔(dān)，能夠高效滿足海量終端接入需求。

2.3 基于標(biāo)識密碼算法的電力物聯(lián)網(wǎng)安全通信機(jī)制設(shè)計

在基于標(biāo)識密碼算法的電力物聯(lián)網(wǎng)安全通信架構(gòu)設(shè)計中，基于標(biāo)識密碼算法的認(rèn)證與密鑰協(xié)商機(jī)制是實現(xiàn)終端之間身份認(rèn)證與安全通信的關(guān)鍵。在此，基于計算性能及安全性能考慮，在文獻(xiàn)［15］的基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計一種基于身份標(biāo)識的認(rèn)證與密鑰協(xié)商機(jī)制（Identity-Based Authenticated Key and Agreement，IBAKA）實現(xiàn)安全通信。具體安全通信機(jī)制設(shè)計如圖3所示。

圖3 基于標(biāo)識密碼算法的電力物聯(lián)網(wǎng)安全通信機(jī)制設(shè)計

由圖3可知，兩個電力物聯(lián)網(wǎng)終端只需進(jìn)行3次交互即可完成認(rèn)證與密鑰協(xié)商過程。

1）電力物聯(lián)網(wǎng)終端A 發(fā)起認(rèn)證與協(xié)商請求，請求中包含其自身身份信息IDA、臨時密文TA=aP及時間戳C。其中，a∈是A 生成的一個臨時密鑰為模q的循環(huán)乘法群且不包含0元素。

2）電力物聯(lián)網(wǎng)終端B 收到請求后，根據(jù)終端A的標(biāo)識信息生成其公鑰QA，并生成自身臨時密文TB=bP，其中，b∈是B生成的一個臨時密鑰，結(jié)合A的臨時密文，計算得到共享安全秘密GBA為

同時，利用單向哈希函數(shù)H2生成會話密鑰KBA為

電力物聯(lián)網(wǎng)終端B 對終端A 消息進(jìn)行回復(fù)，包含B 的臨時密文TB及利用會話密鑰KBA加密的認(rèn)證信息MB。

3）電力物聯(lián)網(wǎng)終端A 收到請求后，根據(jù)B 的臨時密文TB，生成共享安全信息GAB

同時，利用單向哈希函數(shù)H2生成會話密鑰KAB為

由aTB=abP=baP=bTA，且根據(jù)雙線對性質(zhì)：

可得到KAB=KBA，雙方擁有共同的會話密鑰。終端A 利用會話密鑰解密消息MB，可以驗證終端B 的合法性。

4）最后，終端A 發(fā)送加密的認(rèn)證確認(rèn)信息MA給終端B，終端B 解密后可以確認(rèn)終端A 的身份合法性，獲取通信信息Message，并進(jìn)行后續(xù)安全通信。

在此過程中，終端A 和終端B 只需3次信息交換即可完成雙方認(rèn)證過程，認(rèn)證過程無須傳遞數(shù)字證書，有效降低了網(wǎng)絡(luò)通信開銷。在認(rèn)證完成后，通信雙方獲得了共同的會話密鑰，為后續(xù)數(shù)據(jù)通信提供了安全保障。

3 安全分析及試驗驗證

3.1 安全分析

對所設(shè)計基于標(biāo)識密碼算法的電力物聯(lián)網(wǎng)安全通信機(jī)制從抵御中間人攻擊、重放攻擊、前向安全性、認(rèn)證性與機(jī)密性4個方面進(jìn)行安全分析。

抵御中間人攻擊。在安全通信過程中，即使某個惡意中間人使用a'P替換TA=aP，并使用b'P偽造TB=bP，則新的GAB′為

中間人在計算e(P，QB)ase(QA，QB)s過程中，因為不知道終端B 的私鑰SB，且由于計算性迪菲-赫爾曼問題（Computational Diffie-Hellman，CDH）困難性問題，無法從aP和sP獲取asP［15］，無法計算出正確的共享安全秘密GAB′，進(jìn)而無法得到正確的共享密鑰，有效抵御了中間人攻擊。

抗重放攻擊。由于在每次認(rèn)證過程中，臨時密文TA，TB均為隨機(jī)生成，且認(rèn)證信息MA，MB等中均包含時間戳C信息，可以有效抵御重放攻擊。

前向安全性。即便終端A 和終端B 的私鑰被泄露，從aP，bP中計算出abP是CDH 困難問題。所以，通信雙方之前的會話密鑰不會被計算出來，本機(jī)制具有前向安全性。

認(rèn)證性與機(jī)密性。在認(rèn)證過程中，通信雙方可以互相確認(rèn)對方的身份信息，可以滿足認(rèn)證性要求。在認(rèn)證完成后，通信雙方可以使用會話密鑰加密通信信息，從而滿足數(shù)據(jù)機(jī)密性要求。

3.2 試驗驗證

利用開源標(biāo)識密碼類庫PBC-0.5.14及開源安全通信套件OpenSSL-1.1.1d 實現(xiàn)基于標(biāo)識密碼算法的電力物聯(lián)網(wǎng)安全通信機(jī)制［16］。雙曲線采用PBC 運行速度較快的Type A 類型：y2=x3+x，其定義于有限域Fq，對于某些質(zhì)數(shù)滿足q=3 mod 4。考慮到電力物聯(lián)網(wǎng)終端性能，采用樹莓派4B 設(shè)備進(jìn)行模擬，其配置為1.5-GHz Cortex-A72 CPU，2GB RAM，以及Linux 5.4.42內(nèi)核。

在樹莓派4B設(shè)備上，在AES的80、112、128位安全級別下，PBC 基本密碼操作的消耗時間如表1所示。

表1 PBC基本操作的運行時間 單位：ms

從表1可以看出，PBC耗時最大的操作為Map-topoint 運算，其次為雙線對的配對運算［16］。其中，Mapto-point 運算負(fù)責(zé)將用戶標(biāo)識映射到G1上的一個元素上，在首次認(rèn)證通信過程中，會占用一定時間，但當(dāng)后續(xù)通信過程中，通過對用戶公鑰進(jìn)行緩存可以有效降低時間開銷。通過忽略對稱加密、普通哈希函數(shù)等耗時較低的操作，在整個安全通信過程中計算開銷為2ch+2cp+6cm。

基于上述分析，在終端A 和B 首次及后續(xù)通信過程中安全認(rèn)證與密鑰協(xié)商過程的時間開銷如圖4所示。可以看出，即便在最高128 位安全級別下，首次通信時延在500 ms 以內(nèi)，后續(xù)通信時延在240 ms左右，使得安全通信的時間開銷在較低的范圍內(nèi)。

圖4 不同AES安全級別下安全通信的時間開銷

通信傳輸開銷與所傳輸?shù)呐R時密文TA，TB的長度有關(guān)。在最高128 位安全級別下，通過采用壓縮技術(shù)，單個臨時密文大小可在193 字節(jié)。相比之下，在相同安全級別時，即便采用橢圓曲線ECC數(shù)字證書，其數(shù)字證書大小也在800 字節(jié)左右［17］，有效降低了安全通信的資源開銷。

4 結(jié)語

分析了電力物聯(lián)網(wǎng)邊緣環(huán)境中終端安全接入現(xiàn)狀，對比了不同密碼體制在安全接入方面的優(yōu)缺點。為實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)終端輕量級安全接入邊緣物聯(lián)代理，設(shè)計了基于標(biāo)識密碼算法的電力物聯(lián)網(wǎng)安全通信架構(gòu)及通信機(jī)制。安全分析及試驗結(jié)果驗證了安全通信架構(gòu)及機(jī)制的安全性，有效降低了終端身份認(rèn)證及安全通信開銷，提升了電力物聯(lián)網(wǎng)邊緣網(wǎng)絡(luò)的通信安全性。