高安全性加密系統(tǒng)在智能電能表中的應(yīng)用

張宏生

（國網(wǎng)安徽省電力公司計量中心，合肥230088）

0 引 言

隨著國家智能電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，智能電能表等儀器設(shè)備得到廣泛的使用和普及［1-3］。智能電能表作為國家電網(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亟需解決的重大難題。目前在一定程度上，自動化讀取已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的人工讀取方式，但由于自動化讀取作業(yè)不夠成熟，加上信息的安全性不高，總體的系統(tǒng)運行效率還比較低。此外，由于智能電能表的具體運行環(huán)境中不確定因素較多，整個電能表的安全運行是越加復(fù)雜。

傳統(tǒng)意義上的智能電能表只能進(jìn)行用電數(shù)據(jù)的具體讀取，但是對于讀取數(shù)據(jù)的安全性傳輸或者處理則是能力十分有限。在具體的運行過程中，不可避兔的存在以下幾個問題：（1）智能電能表被人為破壞，導(dǎo)致無法進(jìn)行正常運行；（2）電能表讀取的數(shù)據(jù)在中途傳輸過程中遭到破壞或者劫持，使得中央控制器收到不真實的信號；（3）智能電能表本身發(fā)生數(shù)據(jù)錯亂。以上種種問題，都亟需一種新型安全系統(tǒng)嵌入電能表去解決。

針對以上所提問題的挑戰(zhàn)，本文提出一種基于可編程邏輯器件（field programmable gate array：FPGA）［4］平臺的高安全性橢圓加密系統(tǒng)［5］。該系統(tǒng)是從底層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化開始設(shè)計的：該系統(tǒng)設(shè)計首先從優(yōu)化的有限域乘法器開始，再到中間的整體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，最后到最終系統(tǒng)的實現(xiàn)完成。該系統(tǒng)采用硬件平臺直接實現(xiàn)，因此在速度處理和運行效果上都取得較好結(jié)果。最后，該系統(tǒng)也被實際地應(yīng)用在具體電網(wǎng)中得到檢測驗證。

1 智能電能表系統(tǒng)及安全系統(tǒng)

1.1 智能電能表系統(tǒng)

本系統(tǒng)可以針對單相智能電能表或者是三相智能電能表（這些電能表是在電能作業(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，智能電能表的主要特點是所有的數(shù)據(jù)讀取或者信號處理都是自動完成的。目前的智能電能表主要有直接型和間接型兩種，對于作業(yè)環(huán)境要求復(fù)雜度高的地方就采用直接型的電能表系統(tǒng)。一般說來，一個智能電能表系統(tǒng)主要有如圖1所示的系統(tǒng)組成。如圖1所示，整個電能表系統(tǒng)的主要運行過程如下：

圖1 智能電能系統(tǒng)組成圖Fig.1 Structure diagram of smartmeter system

（1）計算測定輸入：該工作單元執(zhí)行整個電能表系統(tǒng)的第一步，主要是對智能電能表的數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行計算處理（通常是進(jìn)行模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換處理）。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過反饋進(jìn)行再計算和在顯示屏上進(jìn)行顯示；

（2）反饋：初步得出的數(shù)據(jù)有時會存在一定的誤差（主要由運行環(huán)境所決定）。在這種情況下，電能表就需要對初步所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋再計算以便隨時調(diào)整整個電能表的計算系統(tǒng)；

（3）顯示：該單元主要是對計算所得出的結(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；

（4）檢定輸出：檢定所得的結(jié)果會通過輸送單元運輸?shù)娇刂浦行摹？刂浦行膶⑺杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行集中協(xié)調(diào)管理。

1.2 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)［5］。由于它具有復(fù)雜實現(xiàn)度低，安全性能高等特點，目前在各類信息處理系統(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2所示。

圖2 橢圓曲線密碼系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle diagram of elliptic curve cryptographic system

如圖2所示，在一個橢圓曲線密碼系統(tǒng)中，A方和B方共同協(xié)議在一個系統(tǒng)中，由A方將信號傳輸?shù)紹方，同時B方將公鑰釋放給A方。兩方之間進(jìn)行如上的加密和解密的運算操作，使整個系統(tǒng)能夠通暢進(jìn)行。

具體到系統(tǒng)的實現(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GF（2m）乘法器和加法器構(gòu)成（當(dāng)然包括其中的狀態(tài)機(jī)運算）。在整個系統(tǒng)中，基于有限域GF（2m）乘法器占了很大比重。相比之下，基于有限域GF（2m）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GF（2m）乘法器的設(shè)計。本系統(tǒng)將通過底層突破的辦法，層層遞進(jìn)，由下往上取得最終的結(jié)構(gòu)。

2 橢圓曲線密碼系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

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GF（2m）乘法器的設(shè)計。本文通過對底層的基于有限域GF（2m）乘法器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計來取得整個加密系統(tǒng)的最優(yōu)化實現(xiàn)。具體的設(shè)計過程如下：

2.1 基于有限域GF（2m）乘法器

美國國家標(biāo)準(zhǔn)局設(shè)定了基于有限域GF（2m）乘法器的次數(shù)，其中有m＝163 233 283 409 571。其中有兩個是三項式，三個是五項式［5］。本文所設(shè)計的結(jié)構(gòu)將建立在三項式上。

假定f（x）是一m次的不可約多項式在域GF（2）內(nèi)，它的表達(dá)式可為：

其中 fi∈ GF（2） ＝｛0，1｝。那么集合｛1，x，…xm－1｝就是有限域GF（2m）的多項式的基。這樣，在有限域GF（2m）內(nèi)的一個多項式可表示為：

其中 ai∈ GF（2）。

假定 a（x），b（x）和 c（x）是在有限域 GF（2m）內(nèi)的三個有限元。那么有限域的乘法可以由如下表示［6］：

其中：

bi∈GF（2），i＝0，1，…，m－1。同時 R（x）可以表示為：

其中g(shù)cd表示最大公除數(shù)。一般情況下，對于一個三項式f（x）＝xm＋xk＋1，R（x）＝xk是作為 Montgomery乘法因子。同時，R（x）有以下特性 R－1（x）＋f（x）.f′（x）＝1。那么整個乘法器的步驟就如下表示：

步驟1：H（x）＝a（x）b（x）.

步驟2：U（x）＝H（x）f′（x）mod R（x）.

步驟3：c（x）＝（H（x） ＋U（x）f（x））／R（x）mod f（x）。

對于三項式 f（x）＝xm＋xn＋1在域 GF（2）內(nèi)。假定 T（x）＝t2m－2x2m－2＋… ＋t1x＋t0是 a（x）和 b（x）的乘積中間值，那么就有：

接著這個中間值T（x）也可以表示為：

接著再選擇乘法因子R（x）＝xn，那么最終的乘法將有如下表示［6］：

那么最終的乘法結(jié)果可以表示為：

2.2 有限域GF（2m）乘法器的硬件實現(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)圖將具體地給出。本部分將具體展現(xiàn)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)B1.A和B2.A。B1.A可以由信號流程圖表示，如圖3所示。它包括m個M節(jié)點和（m－1）個A節(jié)點。這些節(jié)點的功能在圖3的小圖中分別顯示出來。

圖3中，節(jié)點M是進(jìn)行位乘運算，而節(jié)點A是進(jìn)行位加法運算。本文同時又用了另外一個信號流程圖來輸入信號的轉(zhuǎn)換過程，如圖4所示，其中有m個S節(jié)點。這些S節(jié)點的功能主要是進(jìn)行位移和轉(zhuǎn)換，如圖4（b）所示。根據(jù)式（9）中的運算，M1節(jié)點的輸入應(yīng)該是 b（x）：b0，b1，…，bm－1，而再進(jìn)行位移運算轉(zhuǎn)為次序如：bm－1，b0，…，bm－2。

根據(jù)圖4的流程圖進(jìn)行時間上的切割和重新定義，可以得到初步的脈動結(jié)構(gòu)如圖5所示。在圖5中，一個節(jié)點S，節(jié)點M和節(jié)點A被分在同一個區(qū)間里面。這樣就使得設(shè)計完成后的脈動結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵路徑為（TA＋TL＋TX），其中 TX，TL和 TA分別是 XOR門，寄存器和AND門的時間。

圖3 乘法器的信號流程圖Fig.3 Flow chart ofmultiplier signal

圖4 乘法器的信號流程圖Fig.4 Flow chart ofmultiplier signal

圖5 輸入信號流程圖的關(guān)鍵路徑切割Fig.5 Input signal flow chart of key route cutting

根據(jù)圖4和圖5所設(shè)計的最終結(jié)構(gòu)圖在圖6所示，該結(jié)構(gòu)由總共m個處理單元（Processing Element：PE）組成，每一個PE的內(nèi)部功能在圖6（b）有顯示。設(shè)計完成后的結(jié)構(gòu)需要在可編程邏輯器件上進(jìn)行測試通過（圖7是一具體的FPGA測試板）。FPGA器件具有處理速度快、效率高等特點，特別適合那些專門面向硬件平臺開發(fā)實現(xiàn)的系統(tǒng)測試。整個測試的過程如下：

首先，對圖6中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行硬件描述語言的編程。程序設(shè)計完成后在某公司的編譯軟件ISE下進(jìn)行編譯通過和仿真測試驗證。

接著，把程序下載到FPGA器件上進(jìn)行實體仿真操作，同時得到具體的功耗、時間和占用面積等優(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，通過測試的程序?qū)⑦B同F(xiàn)PGA器件安裝到電能表系統(tǒng)中進(jìn)行實際測試并觀察具體運行效果。

圖6 最終結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Final structure diagram

FPGA硬件電路板的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 FPGA硬件電路板的結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of FPGA hardware circuit board

3 加密系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

在基于有限域GF（2m）乘法器的具體化硬件實現(xiàn)之后最終，該部分就被應(yīng)用到整個橢圓曲線加密系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)里面。

3.1 橢圓曲線加密系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

由于橢圓曲線加密算法主要是以基于有限域GF（2m）乘法器的一系列有規(guī)則的運算（當(dāng)然也包括了基于有限域GF（2m）的加法器和平方器）。因此，本文采用有限狀態(tài)機(jī)（finite state machine）作為主要的控制單元（然后也設(shè)計了基于有限域GF（2m）的加法器和平方器）。在基本的運算單元都實現(xiàn)了之后，就用控制單元對運算單元的進(jìn)行調(diào)用控制從而實現(xiàn)最終的加密算法。當(dāng)然，在狀態(tài)機(jī)的運行過程中也需要對基本運算單元的結(jié)果進(jìn)行臨時存儲以便在下一周期中使用（同時也需要一個選擇器對基本的運算單元進(jìn)行選擇）。具體的最終結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 加密系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of cryptographic system

3.2 電能表系統(tǒng)的具體測試

加密系統(tǒng)的應(yīng)用在基于FPGA（Xilinx Vitex-6芯片）平臺的硬件測試中已經(jīng)取得很好的優(yōu)化效果（m＝233），如表1所示。無論是在面積、速度和功耗方面，都比之前的系統(tǒng)有所提高。

表1 加密系統(tǒng)的FPGA測試結(jié)果（m＝233）Tab.1 FPGA test result of cryptographic system（m＝233）

本文同時也將該加密系統(tǒng)具體應(yīng)用到整個電能表系統(tǒng)中進(jìn)行測試驗證。以一自動化智能電能表系統(tǒng)為例，它的設(shè)計要求是每日的電能表檢測量為7 600只，并且每日的數(shù)據(jù)檢測量很大。

現(xiàn)設(shè)置具體的實驗測試如下：

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測試（無攻擊狀態(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與電能表所發(fā)出的信號進(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，單個電能表系統(tǒng)的運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)出錯率減少到0.01%）。由于上述數(shù)據(jù)還是在單個電能表系統(tǒng)的運行下得出，當(dāng)整個電網(wǎng)系統(tǒng)（由多條電能表線組成）都裝上該加密設(shè)備后，那么所取得的綜合效果就會非常突出，就如表2所示。

（2）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測試（有攻擊狀態(tài)下）

本步驟的測試采用最新型的SAT算法［7］對電能表所發(fā)出的每一個信息進(jìn)行排查攻擊（即進(jìn)行排查猜測以猜出真實的原始值）。現(xiàn)有的智能電能表中所采用的簡單數(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、或門等）以取得加密效果。

本步驟的測試對象是一組10只采用現(xiàn)有加密方法的智能電能表，另外一組是同樣數(shù)量的采用了本文加密系統(tǒng)的電能表。在這兩組電能表分別發(fā)出相同數(shù)據(jù)的情況下，一臺高性能計算機(jī)（Intel處理器）采用SAT算法對這些信號進(jìn)行攻擊檢測。所得出的具體結(jié)果（包括攻擊所需要的時間）都顯示在表3中。本測試時間限定在36小時。

表2 具體運行狀況Tab.2 Concrete operation status

表3 攻擊狀態(tài)下的測試效果Tab.3 Test result under attacking conditions

由表3中可以看出，在使用本文所提出的加密系統(tǒng)后，在單個電能表系統(tǒng)和多個電能表系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的安全性能大大提高。特別是現(xiàn)有的算法無法在短期內(nèi)破解的優(yōu)點決定了電能表在采用該類系統(tǒng)后的安全性能將大大提高。綜合以上兩方面的測試，可以看到該加密系統(tǒng)在電能表系統(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

本文通過對智能電能表中嵌入加密系統(tǒng)的具體分析和討論，結(jié)合橢圓曲線加密優(yōu)化算法的硬件實現(xiàn)的具體優(yōu)勢，對現(xiàn)有的智能電能表信號處理的自動化作業(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行中有優(yōu)異表現(xiàn)，在保證不影響具體作用的同時，取得信息安全方面很大幅度的提高。由于該加密系統(tǒng)在電能表中的應(yīng)用設(shè)計合理、效率極高，值得在國家電網(wǎng)建設(shè)中大力推廣使用。