基于第三方验证的变电站命令交互方法的研究
南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司、国电南瑞科技股份有限公司的研究人员孙树才、朱陈鹏，在2018年第11期《电气技术》杂志上撰文，阐述了一种通过引入第三方认证并应用加密技术、提高变电站内控制信号传递安全性的方法。
通过使用非对称加密技术保护数据传输过程的安全，引入第三方认证设备用于验证命令双方的权限和身份，防止命令信息被截取和篡改，使用第三方设备对命令信息进行再封包，保证传输信息的安全性，使用动态密钥和授权过期制度进一步保护控制安全，最后对命令进行特征码校验，有效地过滤了错误数据。
通过本方法可以有效防止信号被截取或篡改，保证数据的安全性，限制操作人群，隔离非法用户，保护信息安全，极大提高了变电站控制过程的信息安全性。
1 背景技术
1）SSL加密技术
SSL协议能使用户/服务器应用之间的通信不被攻击者窃听，并且始终对服务器进行认证，还可选择对用户进行认证。SSL协议在应用层通信之前就已经完成加密算法、通信密钥的协商及服务器认证工作，应用层所传送的数据均被加密，保证通信的私密性[1]。
2）非对称加密算法
非对称加密算法又名“公开密钥加密算法”，非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥和私有密钥。公开密钥与私有密钥是一对，用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密。用私有密钥对数据进行加密，只有用对应的公开密钥才能解密。加密和解密使用的是两个不同的密钥，这种算法叫非对称加密算法。
该算法强度复杂、安全性依赖于算法与密钥，加密解密速度没有对称算法快，但对称算法中只有一个密钥，解密需要先知道密钥，需要保证密钥的安全，而非对称加密算法有两种密钥，其中一个是公开的，无需传输密钥，保证了密钥的安全性[2]。
3）散列算法
散列算法可以对不同长度的输入消息，产生固定长度的输出，散列算法是一种单向的加密算法，通过密文无法解密获取明文，即使对明文微小的改动，同样的散列运算也会得到完全不同的结果。基于这种特性，散列算法通常被用来验证信息的完整性[3]。
2 系统部署与对象释义
本文阐述的方法是通过引入第三方认证并应用加密技术，从而提高变电站内（及类似场景）控制信号传递的安全性，以防止信号被截取或篡改，使用此方法可以保证数据的安全性，限制操作人群，隔离非法用户，保护信息安全[4]。
简单的系统部署结构示意图如图1所示。
图1 简单的系统部署结构示意图
2.1 授权认证设备（以下简称CA）
该设备是本方法中使用的可信的第三方验证设备，作为数据安全的保证和控制命令的安全转交方式，主要有以下功能：1）通过智能卡或数字证书获取认证权限；2）数据证书的颁发、管理与认证功能；3）SSL加密通信的功能；4）信息完整性校验功能；5）授权信息记录与审计。
2.2 本地监控系统（以下简称LMS）
LMS是本地用于监控和操作IED的管理系统（一般指SCADA系统，本文中只强调其本地控制作用），作为本方法中的控制命令发起方。相对于传统的系统，需要进行扩展，提高其安全性，并具备处理加密信息的功能。
具体如下：1）升级身份认证机制，使之与授权认证设备绑定，使用数字安全证书提高账户的安全性；2）升级数据通信程序，使之与授权认证设备的信息交互采用SSL加密机制；3）计算信息的散列码，校验信息完整性。
2.3 远端监控系统（以下简称RMS）
该系统是远端使用的用于监控和操作IED的管理系统（一般指调度主站系统），一般通过专线或专用网络与LMS进行交互，在本方法中，RMS的控制命令与CA直接交互，是远端控制命令的发起方。
2.4 智能设备（以下简称IED）
该设备是本方法中最终处理执行控制命令的智能单元，是控制命令的接收方，作为最终信息的接收和处理方，是整个控制过程非常重要的一环，具备如下功能：1）接收、存储和转发LMS发送的散列特征码；2）接收、存储和校核CA颁发的数字证书，从而保证控制信息的来源可靠；3）接收和解密CA转发的控制信息。
3 身份认证机制
3.1 CA的身份认证
CA作为本方法的默认可信设备，为保证其安全不被入侵，基于嵌入式系统开发[4]，只运行必要功能。硬件上固化数字证书，用于对外部的身份验证，该证书具有惟一性。
对于本地控制，建立信任智能卡列表，作为获取设备授权的验证密钥。本地操作需先提供智能卡，CA才会授予遥控操作权限，可以有效地控制本地操作终端和人员的范围。
对于远端控制，建立可信设备列表，存储对应的数字证书来验证身份，采用可靠的数据通道，先传送身份验证信息，CA验证身份可靠后，开放远端遥控权限，有效地限制了远端控制终端的范围。
3.2 LMS的身份认证
LMS本身具备用户验证机制。其控制操作权限是CA授予的，LMS在发起一次操作指令前，主动提交身份认证信息到CA，CA根据事先记录的信息，校核数字签名来验证LMS的身份。身份信任是临时的，超过一次操作周期后，CA将回收控制权限，并颁发新的数字证书。
3.3 RMS的身份认证
RMS本身是安全的，具备用户验证机制。变电站范围内的控制权限是CA授予的，RMS在发起一次操作指令前，主动与CA交换数字证书，交叉验证通过后，CA向RMS开放控制权限。控制权限是临时的，超出约定时间后，CA将回收控制权限，并要求RMS更新数字证书。
3.4 IED的身份认证
IED可以根据需求，更新自身的数字证书。IED的身份由CA统一管理，CA建立智能设备库，记录设备信息，并负责请求和验证数字证书。
4 交互过程
本文以本地控制过程为例，具体如下。
图2 本方法控制交互过程的流程图
4.1 控制指令的发起
1）获取CA权限：操作人首先需要持有智能卡，使用智能卡获取CA的访问权限。
2）登录LMS：使用用户名、密码登录LMS，所使用的账户需要具备控制权限。
3）申请控制操作权限：操作人在LMS上进行操作，程序自动发送请求到CA，CA校验监控设备身份信息，校验通过则返回一次性使用的公钥，校验失败则中止控制过程。
4）加密控制命令：LMS控制程序使用收到的公钥对控制命令进行加密，同时针对控制命令生成散列特征码用于完整性校验。LMS分别将加密后的控制命令提交给CA，将散列特征码发送给需要操作的IED。
4.2 控制指令的转交
1）解密控制命令：CA收到加密后的控制命令后，使用自身的私钥进行解密。
2）校核设备控制权限：CA根据控制命令，检查目标IED是否处于控制范围。
3）获取目标IED公钥：CA根据解析后的控制命令，向目标IED发送更新证书的命令，IED重新生成证书，并传递公钥给CA。
4）重新加密控制命令：CA使用获取的公钥对控制命令进行加密，并将加密后的数据发送给目标IED。
4.3 控制命令的执行
1）解密控制命令：IED使用私钥解密CA转交的控制命令。
2）校验控制命令：IED计算控制命令的散列特征码，并与LMS发送的散列特征码进行比对，校验命令的完整性。
3）执行控制命令：IED根据命令内容执行操作。
5 示例
下面以简单的遥控合闸过程为例进行说明：
1）控制人员使用用户名和密码登录LMS系统，选择需要控制的设备对象，下发遥控合闸命令。
2）LMS系统检测到有遥控操作，开始操作权限检测，通过CA校验智能卡或数字证书验证人员是否合法。CA读取到证书数据，通过系统固化的解密密钥获取详细信息后，进行授权比对用户名、密码、智能卡编号等信息，信息一致则认为操作人员身份合法，验证通过。
3）LMS向CA请求通信证书，CA检测到有LMS发起的请求后，随机生成一组非对称密钥，比如使用以下密钥信息，如图3所示。
图3 示意的密钥信息
m1与e1构成加密密钥，d1与e1构成解密密钥，CA保留d1不公布，将m1和e1反馈给LMS。
4）LMS收到密钥后，开始传递数据。LMS先根据操作生成命令明文，假设明文p1如下，见表1。
表1 示意的遥控命令
通过加密得到密文s1，如图4所示。
图4 示意的密文s1
通过散列特征算法（如MD5）得到散列特征码l1，如图5所示。
图5 示意的散列特征码
其中s1发送给CA，l1发送给目标IED。
1）CA收到LMS发送的密文s1后，使用d1和e1对密文进行解密，获取到目标IED地址后查询本地记录的有效IED表，如有效则认为可控，若无效，则返回目标检查失败信息。
2）CA确定可控后，向目标IED请求加密密钥，IED生成临时证书，并反馈新的m2和e2给CA，CA对明文进行重新加密，并将密文s2传递给IED。
3）IED使用保留的d2和e2对密文s2进行解密，计算解密后明文p2的散列特征码l2，并与之前收到的特征码l1进行比对，相同，则认为命令信息无误，可以执行；如不同，则认为命令损坏，要求重发。
图6 本示例的数据交换的过程
本文所阐述的方法可以有效地控制IED设备的控制权限及范围，防止命令信息在交互过程中被截取和篡改，验证命令信息的完整性，阻止非法用户获取操作权限，防止错误命令的执行，可以极大地提高变电站控制过程的信息安全性，特别是在非可靠网络环境下作用明显。该方法不限制于变电站，其他类似涉及控制信息交互的场合同样适用。