高安全性加密系統(tǒng)在智能電表中的應(yīng)用

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1、高安全性加密系統(tǒng)在智能電表中的應(yīng)用 張宏生 （國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司計(jì)量中心，合肥 ） 摘要：智能電表在國(guó)家電網(wǎng)中具有至關(guān)重要的地位。為保證智能電表相關(guān)處理信息的安全傳輸，本文提出了一種基于智能電表的高安全性加密系統(tǒng)。該高安全性加密系統(tǒng)是建立在橢圓曲線密碼系統(tǒng)基礎(chǔ)之上。本文采用從底層開(kāi)發(fā)的方法從下往上，層層突破，實(shí)現(xiàn)了加密系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)完成后，該系統(tǒng)首先在基于可編程邏輯器件上進(jìn)行模擬仿真，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)取得了優(yōu)異結(jié)果。接著，該密碼系統(tǒng)在智能電表上進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)具體實(shí)踐測(cè)試，該加密系統(tǒng)對(duì)電能表的信息安全保護(hù)能力有較大提高。綜合實(shí)驗(yàn)表明，本文所提出的新型高安全性加密系統(tǒng)在智能電表中具有

2、較好的實(shí)踐應(yīng)用性，不僅效果顯著，而且值得大力推廣應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：新型；高安全性; 底層開(kāi)發(fā)；最優(yōu)設(shè)計(jì)；橢圓曲線加密系統(tǒng)；信息安全 中圖分類號(hào)：； 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：（） （( ，, Hefei , China）) : . , . , . , , . . .

3、 , . : , , , , , 引言 隨著國(guó)家智能電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，智能電表等儀器設(shè)備得到廣泛的使用和普及[]。智能電表作為國(guó)家電網(wǎng)用戶終端的主要設(shè)備，它的安全性是至關(guān)重要的。如何提高電能表的工作安全性，如何提高總體的信息安全傳輸是一個(gè)亟需解決的重大難題。目前在一定程度上，自動(dòng)化讀取已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的人工讀取方式，但由于自動(dòng)化讀取作業(yè)不夠成熟，加上信息的安全性不高，總體的系統(tǒng)運(yùn)行效率還比較低。此外，由于智能電表的具體運(yùn)行環(huán)境中不確定因素較多，整個(gè)電表的安全運(yùn)行是越加復(fù)雜。 傳統(tǒng)意義上的智能電表只能進(jìn)行用電數(shù)據(jù)的具體讀取，但是對(duì)于讀取數(shù)據(jù)的安全

4、性傳輸或者處理則是能力十分有限。在具體的運(yùn)行過(guò)程中，不可避免的存在以下幾個(gè)問(wèn)題：一、智能電表被人為破壞，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行正常運(yùn)行；二、電表讀取的數(shù)據(jù)在中途傳輸過(guò)程中遭到破壞或者劫持，使得中央控制器收到不真實(shí)的信號(hào)；三、智能電表本身發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。以上種種問(wèn)題，都亟需一種新型安全系統(tǒng)嵌入電表去解決。 針對(duì)以上所提問(wèn)題的挑戰(zhàn)，本文提出一種基于可編程邏輯器件（ : ）[]平臺(tái)的高安全性橢圓加密系統(tǒng)[]。該系統(tǒng)是從底層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化開(kāi)始設(shè)計(jì)的：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先從優(yōu)化的有限域乘法器開(kāi)始，再到中間的整體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，最后到最終系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)完成。該系統(tǒng)采用硬件平臺(tái)直接實(shí)現(xiàn)，因此在速度處理和運(yùn)行效果上都取得較好結(jié)果。最

5、后，該系統(tǒng)也被實(shí)際地應(yīng)用在具體電網(wǎng)中得到檢測(cè)驗(yàn)證。 智能電表系統(tǒng)及安全系統(tǒng) 智能電表系統(tǒng) 本系統(tǒng)可以針對(duì)單相智能電表或者是三相智能電表（這些電表是在電能作業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上建立的）。與傳統(tǒng)的電能表系統(tǒng)相比，智能電表的主要特點(diǎn)是所有的數(shù)據(jù)讀取或者信號(hào)處理都是自動(dòng)完成的。目前的智能電表主要有直接型和間接型兩種，對(duì)于作業(yè)環(huán)境要求復(fù)雜度高的地方就采用直接型的電表系統(tǒng)。一般說(shuō)來(lái)，一個(gè)智能電表系統(tǒng)主要有如圖所示的系統(tǒng)組成。 圖 智能電能系統(tǒng)組成圖 如圖所示，整個(gè)電表系統(tǒng)的主要運(yùn)行過(guò)程如下： ()計(jì)算測(cè)定輸入：該工作單元執(zhí)行整個(gè)電表系統(tǒng)的第一步，主要是對(duì)智能電表的數(shù)據(jù)輸入

6、進(jìn)行計(jì)算處理（通常是進(jìn)行模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理）。經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反饋進(jìn)行再計(jì)算和在顯示屏上進(jìn)行顯示； ()反饋：初步得出的數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)存在一定的誤差（主要由運(yùn)行環(huán)境所決定）。在這種情況下，電表就需要對(duì)初步所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋再計(jì)算以便隨時(shí)調(diào)整整個(gè)電表的計(jì)算系統(tǒng)； ()顯示：該單元主要是對(duì)計(jì)算所得出的結(jié)果進(jìn)行顯示屏顯示。一般是采用比較穩(wěn)定的數(shù)字顯示方式； ()檢定輸出：檢定所得的結(jié)果會(huì)通過(guò)輸送單元運(yùn)輸?shù)娇刂浦行??？刂浦行膶⑺杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行集中協(xié)調(diào)管理。 橢圓曲線加密系統(tǒng) 橢圓曲線密碼系統(tǒng)是近期應(yīng)用比較廣泛的新型公鑰密碼系統(tǒng)[]。由于它具有復(fù)雜實(shí)現(xiàn)度低，安全性能高等特點(diǎn)，目前在

7、各類信息處理系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。本文采用以橢圓曲線密碼系統(tǒng)為基礎(chǔ)的信息加密系統(tǒng)，它的主要原理如圖所示。 圖 橢圓曲線密碼系統(tǒng)原理圖 如圖所示，在一個(gè)橢圓曲線密碼系統(tǒng)中，方和方共同協(xié)議在一個(gè)系統(tǒng)中，由方將信號(hào)傳輸?shù)椒?，同時(shí)方將公鑰釋放給方。兩方之間進(jìn)行如上的加密和解密的運(yùn)算操作，使整個(gè)系統(tǒng)能夠通暢進(jìn)行。 具體到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)層面上，加密系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由一系列的基于有限域()乘法器和加法器構(gòu)成（當(dāng)然包括其中的狀態(tài)機(jī)運(yùn)算）。在整個(gè)系統(tǒng)中，基于有限域()乘法器占了很大比重。相比之下，基于有限域()加法器的占用比率不是很大。因此，本文更加注重基于有限域()乘法器的設(shè)計(jì)。本系

8、統(tǒng)將通過(guò)底層突破的辦法，層層遞進(jìn)，由下往上取得最終的結(jié)構(gòu)。 橢圓曲線密碼系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 橢圓曲線密碼系統(tǒng)可優(yōu)化的地方主要集中在基于有限域()乘法器的設(shè)計(jì)。本文通過(guò)對(duì)底層的基于有限域()乘法器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)取得整個(gè)加密系統(tǒng)的最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。具體的設(shè)計(jì)過(guò)程如下： 基于有限域(2m)乘法器 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局設(shè)定了基于有限域()乘法器的次數(shù)，其中有。其中有兩個(gè)是三項(xiàng)式，三個(gè)是五項(xiàng)式[]。本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)將建立在三項(xiàng)式上。 假定()是一次的不可約多項(xiàng)式在域()內(nèi)，它的表達(dá)式可為: () 其中 ∈ () {, }。那么集合{, , …}就是有限域()的多項(xiàng)式的基。這樣，在有限域()內(nèi)的一個(gè)

9、多項(xiàng)式可表示為： () 其中 ∈ ()。 假定(), ()和()是在有限域()內(nèi)的三個(gè)有限元。那么有限域的乘法可以由如下表示[]： () 其中： ∈(),…, 。同時(shí)()可以表示為： () 其中 表示最大公除數(shù)。一般情況下，對(duì)于一個(gè)三項(xiàng)式(), ()是作為乘法因子。同時(shí)，()有以下特性() ()’()。那么整個(gè)乘法器的步驟就如下表示： 步驟：()()(). 步驟：()()’() (). 步驟： () (() ()())() ()。 對(duì)于三項(xiàng)式() 在域()內(nèi)。假定()…是()和()的乘積中間值，那么就有： () 接著這

10、個(gè)中間值()也可以表示為： （） () 接著再選擇乘法因子() ，那么最終的乘法將有如下表示[]： () 其中： （） 和 （） 那么最終的乘法結(jié)果可以表示為： （） 有限域(2m)乘法器的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖 在這一部分里，關(guān)于乘法器的硬件結(jié)構(gòu)圖將具 圖 乘法器的信號(hào)流程圖 體地給出。本部分將具體展現(xiàn)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和。 圖 乘法器的信號(hào)流程圖 可以由信號(hào)流程圖表示，如圖所示。它包括個(gè)節(jié)點(diǎn)和()個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)的功能在圖的小圖中分別顯示出來(lái)。 圖中，節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行位乘運(yùn)算，而節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行位加法

11、運(yùn)算。本文同時(shí)又用了另外一個(gè)信號(hào)流程圖來(lái)輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，如圖所示，其中有個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)的功能主要是進(jìn)行位移和轉(zhuǎn)換，如圖（）所示。根據(jù)式（）中的運(yùn)算，節(jié)點(diǎn)的輸入應(yīng)該是(): , , …, ，而再進(jìn)行位移運(yùn)算轉(zhuǎn)為次序如：, , …, 。 根據(jù)圖的流程圖進(jìn)行時(shí)間上的切割和重新定義，可以得到初步的脈動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖所示。在圖中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)被分在同一個(gè)區(qū)間里面。這樣就使得設(shè)計(jì)完成后的脈動(dòng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵路徑為()，其中, 和 分別是 門(mén)，寄存器和門(mén)的時(shí)間。 圖 輸入信號(hào)流程圖的關(guān)鍵路徑切割 根據(jù)圖和圖所設(shè)計(jì)的最終結(jié)構(gòu)圖在圖所示，該結(jié)構(gòu)由總共個(gè)處理單元（ : ）組成，

12、每一個(gè)的內(nèi)部功能在圖()有顯示。設(shè)計(jì)完成后的結(jié)構(gòu)需要在可編程邏輯器件上進(jìn)行測(cè)試通過(guò)（圖是一具體的測(cè)試板）。器件具有處理速度快、效率高等特點(diǎn)，特別適合那些專門(mén)面向硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)測(cè)試。整個(gè)測(cè)試的過(guò)程如下： 首先，對(duì)圖中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行硬件描述語(yǔ)言的編程。程序設(shè)計(jì)完成后在公司的編譯軟件下進(jìn)行編譯通過(guò)和仿真測(cè)實(shí)驗(yàn)證。 圖 最終結(jié)構(gòu)圖 接著，把程序下載到器件上進(jìn)行實(shí)體仿真操作，同時(shí)得到具體的功耗、時(shí)間和占用面積等優(yōu)化數(shù)值。如果數(shù)據(jù)不理想，需要重新返回第一步進(jìn)行再仿真。 最后，通過(guò)測(cè)試的程序?qū)⑦B同器件安裝到電表系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際測(cè)試并觀察具體運(yùn)行效果。 圖 硬件電路板的結(jié)構(gòu)圖

13、 加密系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn) 在基于有限域()乘法器的具體化硬件實(shí)現(xiàn)之后最終，該部分就被應(yīng)用到整個(gè)橢圓曲線加密系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)里面。 橢圓曲線加密系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn) 由于橢圓曲線加密算法主要是以基于有限域()乘法器的一系列有規(guī)則的運(yùn)算（當(dāng)然也包括了基于有限域()的加法器和平方器）。因此，本文采用有限狀態(tài)機(jī)（ ）作為主要的控制單元(然后也設(shè)計(jì)了基于有限域()的加法器和平方器)。在基本的運(yùn)算單元都實(shí)現(xiàn)了之后，就用控制單元對(duì)運(yùn)算單元的進(jìn)行調(diào)用控制從而實(shí)現(xiàn)最終的加密算法。當(dāng)然，在狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中也需要對(duì)基本運(yùn)算單元的結(jié)果進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)以便在下一周期中使用（同時(shí)也需要一個(gè)選擇器對(duì)基本的運(yùn)算單元進(jìn)行選擇）。具體

14、的最終結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖 加密系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 電表系統(tǒng)的具體測(cè)試 加密系統(tǒng)的應(yīng)用在基于( 芯片)平臺(tái)的硬件測(cè)試中已經(jīng)取得很好的優(yōu)化效果（），如表所示。無(wú)論是在面積、速度和功耗方面，都比之前的系統(tǒng)有所提高。 表 加密系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果() () 系統(tǒng) 面積（邏輯單元數(shù)量） 速度（） 功耗（） 基于[] 本文 表 具體運(yùn)行狀況 參數(shù)（單位） 使用加密系統(tǒng)前（整體） 使用加密系統(tǒng)前（單個(gè)系統(tǒng)） 使用加密系統(tǒng)后（整體） 使用加密系統(tǒng)后（單個(gè)系統(tǒng)） 年檢量(萬(wàn)只年) 系統(tǒng)速度

15、(秒只) 信號(hào)安全性 低 低 高 高 數(shù)據(jù)出錯(cuò)率 本文同時(shí)也將該加密系統(tǒng)具體應(yīng)用到整個(gè)電表系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)實(shí)驗(yàn)證。以一自動(dòng)化智能電表系統(tǒng)為例，它的設(shè)計(jì)要求是每日的電表檢測(cè)量為只，并且每日的數(shù)據(jù)檢測(cè)量很大。 現(xiàn)設(shè)置具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)試如下： （）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測(cè)試（無(wú)攻擊狀態(tài)下） 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性主要是指在安裝本文所提出的加密系統(tǒng)后，中央控制器所接收到信號(hào)與電表所發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行比較的概率。 在使用本文所提出的新型加密系統(tǒng)之后，單個(gè)電表系統(tǒng)的運(yùn)行量每日基本保持不變（但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性大大提高，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率減少到）。由于上述數(shù)據(jù)還是在單個(gè)電表系統(tǒng)的運(yùn)行下得

16、出，當(dāng)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)（由多條電表線組成）都裝上該加密設(shè)備后，那么所取得的綜合效果就會(huì)非常突出，就如表所示。 （）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測(cè)試（有攻擊狀態(tài)下） 本步驟的測(cè)試采用最新型的算法[]對(duì)電表所發(fā)出的每一個(gè)信息進(jìn)行排查攻擊（即進(jìn)行排查猜測(cè)以猜出真實(shí)的原始值）?，F(xiàn)有的智能電表中所采用的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)加密主要采用了二進(jìn)制混淆方法，即進(jìn)行插入某一些邏輯算法（與門(mén)、或門(mén)等）以取得加密效果。 本步驟的測(cè)試對(duì)象是一組只采用現(xiàn)有加密方法的智能電表，另外一組是同樣數(shù)量的采用了本文加密系統(tǒng)的電表。在這兩組電表分別發(fā)出相同數(shù)據(jù)的情況下，一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)（處理器）采用算法對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行攻擊檢測(cè)。所得出的具體結(jié)果（包括攻擊所需要

17、的時(shí)間）都顯示在表。本測(cè)試時(shí)間限定在小時(shí)。 表 攻擊狀態(tài)下的測(cè)試效果 系統(tǒng) 單個(gè)電表（破解時(shí)間） 整個(gè)系統(tǒng)（破解時(shí)間） 現(xiàn)有 本文 無(wú)法攻破 無(wú)法攻破 由表中可以看出，在使用本文所提出的加密系統(tǒng)后，在單個(gè)電表系統(tǒng)和多個(gè)電表系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的安全性能大大提高。特別是現(xiàn)有的算法無(wú)法在短期內(nèi)破解的優(yōu)點(diǎn)決定了電表在采用該類系統(tǒng)后的安全性能將大大提高。 綜合以上兩方面的測(cè)試，可以看到該加密系統(tǒng)在電表系統(tǒng)中的表現(xiàn)優(yōu)異，值得在同類產(chǎn)品中大力推廣。 4 結(jié)束語(yǔ) 本文通過(guò)對(duì)智能電表中嵌入加密系統(tǒng)的具體分析和討論，結(jié)合橢圓曲線加密優(yōu)化算法的硬件實(shí)現(xiàn)的具體優(yōu)勢(shì)，對(duì)現(xiàn)有的智能電表信號(hào)處理

18、的自動(dòng)化作業(yè)進(jìn)行優(yōu)化處理。多方面的結(jié)果證明本文所提出的方法在電能表的具體運(yùn)行中有優(yōu)異表現(xiàn)，在保證不影響具體作用的同時(shí)，取得信息安全方面很大幅度的提高。由于該加密系統(tǒng)在電表中的應(yīng)用設(shè)計(jì)合理、效率極高，值得在國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)中大力推廣使用。 參 考 文 獻(xiàn) [] 李紹炎，鐘健，熊偉堂. 自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)原理及節(jié)拍優(yōu)化設(shè)計(jì)[].深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), , (): . [] 朱興濤，張則剛，胡俊逸. 基于粒子群算法的型裝配線平衡問(wèn)題研究[].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，, : . [] 黃劍鋒, 趙晶英. 裝配線生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, , : . [] . , . , [] , , (): . [] , , . []. , , (): . [] . , . , . , . , Montgomery (2m) []. ., , (): . [] . , . , . , []. . . (), , . 作者簡(jiǎn)介： 張宏生（－），男，工程師，從事電能計(jì)量工作，現(xiàn)為國(guó)家電網(wǎng)公司優(yōu)秀人才后備（技能類）、安徽省電力公司中級(jí)培訓(xùn)講師。 ： 收稿日期：20XX-06-28；修回日期：20XX-10-15 （王艷麗 編發(fā)）