基于量子保密通信及5G硬切片專網的配網應用研究

吳忠平，王路杰，許佳諾，王彥博，章立偉

工程與應用

基于量子保密通信及5G硬切片專網的配網應用研究

吳忠平1，王路杰2，許佳諾2，王彥博3，章立偉1

（1. 國網寧波供電公司信息通信分公司，浙江 寧波 315048； 2. 中國移動通信集團浙江有限公司寧波分公司，浙江 寧波 315048； 3. 北京交通大學，北京 100044）

5G技術以其超低時延、超高帶寬、超大規模連接的顯著優勢，有效彌補了配網領域傳統光纖通信的弊端，為配電應用提供了一種全新的網絡通信方式，然而5G技術的應用帶來的信息安全問題也逐漸凸顯。基于此，提出了一種基于量子保密通信及5G硬切片專網的配網應用方案，該方案為配網業務定制端到端5G硬切片專網，采用量子保密通信技術保障數據傳輸安全性，并在實際配網業務場景中進行方案的部署驗證。結果顯示配網業務5G硬切片專網的平均時延為16.89 ms，下行發送和接收速率分別為380 Mbit/s和371 Mbit/s，上行發送和接收速率分別為31.2 Mbit/s和30 Mbit/s，基本滿足電力配網應用的通信要求，并且基于量子保密通信技術，量子態誤碼率為0.76%，傳輸數據能夠進行正常加解密，驗證了量子保密通信和5G硬切片技術在配網應用的可行性。

5G；網絡切片；量子保密通信；配網；信息安全

0 引言

配電網作為連接發電側和用電側的末端環節，肩負著將電力傳輸給千家萬戶的重要使命，在保障供電穩定、優化供電質量和提升供電安全等方面具有重要作用。面向國家電網“建設具有卓越競爭力的世界一流能源互聯網企業”的戰略目標，打造廣泛互聯、智能互動、靈活柔性、安全可控的新一代電力系統已成為電力行業高質量發展的大勢所趨，這對配電網的安全性和可靠性提出了更高的要求。傳統配網應用主要采用部署光纜滿足通信需求，然而一方面配電網末端點位繁多，若進行光纜網絡配網全覆蓋，部署成本高、周期長、難度大，另一方面配電網電氣拓撲復雜度持續提升，光纖部署的靈活性和適應性差[1-2]，制約了配電網的自動化和智能化發展水平。

5G作為新一代蜂窩移動通信技術，在關鍵網絡指標、網絡定制化、部署靈活性等方面具有顯著優勢，滿足電力行業的超低時延、超高帶寬、超大規模連接的網絡通信需求，為相關電力應用提供有力的通信網絡支撐。可以說，5G網絡與電力行業的深度融合逐漸成為賦能未來泛在電力物聯網的重要方向。作為典型的5G應用場景，配網側的5G應用日益廣泛，在配網柱上開關應用方面[3]，5G網絡的低時延特性能夠為柱上開關提供實時通信保障，實現電力配網送電的精準調度；在配網相量測量裝置（phasor measurement unit，PMU）業務方面[4]，5G網絡高精度授時的理論精度級別達500 ns，完美適配PMU業務對于授時精度和時延的通信需求，為電力系統樞紐點的電壓相位、電流相位等相量數據提供精準的時標信息；在配電網數據采集方面[5]，5G網絡每平方千米高達百萬級的連接規模，為配網終端的海量數據采集提供了有效通信手段。

5G技術的應用一定程度上加速了配電網的信息化、智能化和自動化發展進程，但同時也帶來了信息安全問題。5G網絡下安全威脅來源主要有以下幾點[6-7]。

● 在5G移動邊緣網絡架構下，邊緣計算節點接入的異構終端類型和數量驟增，擴大了信息數據暴露面和安全風險點。

● 5G網絡用戶多，對現有的鑒權系統壓力過大，可能造成數據泄露。

● 5G網絡將承載更加豐富多樣的配網應用，相應的應用終端通信協議呈多樣化趨勢，易遭受越權訪問、軟件漏洞、拒絕服務等安全攻擊。

基于此，亟待尋求一種更加有效的通信加密技術提升配網防護安全性。量子保密通信是量子力學和密碼學的產物，基于量子力學中的海森伯不確定性原理、未知量子態不可克隆定理和非正交量子態不可區分定理實現通信雙方的量子密鑰共享，目前已經被證明在理論上可以實現保密通信的“無條件安全性”[8-10]。目前，量子保密通信已逐步在政務、金融、電力等高安全性要求的領域凸顯出重要的應用價值，其中，電力行業作為保障國計民生和社會安全的基礎性行業，其數據安全性直接影響著國民生產生活和社會經濟發展。量子保密通信技術的應用有效彌補了傳統保密通信方式的缺陷，為電力安全提供了全新的技術手段，對電力保障、電力調度、配電網和容災備份等業務的數據安全防護具有重要的意義[11]。

1 關鍵應用技術

1.1 5G網絡切片

網絡切片是5G移動通信時代下引入的全新網絡技術。作為一種網絡資源靈活配置方式，網絡切片根據不同行業、不同場景和不同客戶的業務通信需求，將單一物理網絡端到端虛擬出多個特點各異且相互隔離的邏輯子網，從而滿足5G網絡資源的按需調配和靈活定制[12]。所謂“端到端”，是指包含了無線網、承載網和核心網在內的整體5G網絡架構的網絡切片組合，并基于切片管理系統對端到端網絡切片進行全生命周期管理。

根據端到端各環節的網絡隔離性，行業內通常將網絡切片分為硬切片和軟切片，如圖1所示。在無線網側，網絡切片主要通過參數配置和功能調度方式實現[12]，其中，軟切片方案包括基于QoS保障機制的頻譜資源動態調度和分配，硬切片方案包括基于頻譜資源獨享的無線資源塊（resource block，RB）資源預留、獨立載波的載頻隔離和獨立基站的專網專用等；在承載網側，主要通過對網絡拓撲資源按需定制多個虛擬網絡以形成網絡切片，其中，軟切片在兩層及以上，采用統計復用的切片技術，包括基于多協議標簽交換（multi-protocol label switching，MPLS）、分段路由（segment routing，SR）的隧道技術和基于虛擬專用網（virtual private network，VPN）、虛擬局域網（virtual local area network，VLAN）等的虛擬化技術，硬切片在物理層或數據鏈路層，主要包括靈活以太網（flex ethernet，FlexE）、光傳送網（optical transport network，OTN）、波分復用（wavelength division multiplexing，WDM）等基于物理剛性管道的切片技術[13]；在核心網側，主要基于網絡功能虛擬化（network functions virtualization，NFV）平臺定制邏輯網絡切片，其中，軟切片方案共用省級或地市級用戶面功能（user plane function，UPF）網元，硬切片方案基于入駐式的獨享UPF，保障轉發數據的專享專用。

圖1 端到端網絡切片分類示意圖

1.2 量子保密通信技術

量子通信，作為當前量子論和信息論相結合的全新研究領域，是指利用量子力學原理進行信息傳遞的一種新型的通信方式。廣義上的量子通信是指將某個物理量的量子態從一個地方傳送到另一個地方，其研究分支領域包括量子保密通信、量子隱形傳態和量子密集編碼等[10,14]，其中，以量子密鑰分發（quantum key distribution，QKD）為基礎的量子保密通信是當前應用廣泛且成熟的技術。QKD技術是指一種在通信雙方之間建立量子通道，并以量子態為信息載體進行信息傳輸，從而實現通信雙方共享實時密鑰的加密方法，該方法通過量子力學固有的理論特性保證安全性和可靠性。相比于傳統通信模式，量子保密通信在理論上可以實現嚴格數學證明的無條件安全性[15]。

1984年，Benett和Brassard提出了首個量子密鑰分發協議，簡稱BB84協議。該協議采用兩組共軛基和4個量子態作為量子信息的載體，通信雙方首先利用量子信道進行量子態傳輸，發送方將測量基矢編碼后的量子態發送給接收方，接收方隨機選擇測量矢量進行測量并保存測量結果；然后通信雙方利用經典信道進行密鑰協商，得到原始密鑰；最后接收端公布原始密鑰部分值，雙方進行系統擾動或竊聽操作判斷，獲得最終的安全密鑰，確保在傳輸不被竊聽的條件下完成整個密鑰分發過程[11,16]，量子密鑰分發工作原理如圖2所示。BB84協議的提出標志著量子通信保密技術開啟了新的篇章，并且由于BB84協議具備操作性好、穩定性強的優勢，其逐漸成為當前實用化程度高的量子通信協議。

2 基于量子保密技術及5G硬切片專網的配網應用方案

2.1 整體系統架構設計

基于5G的量子保密通信及硬切片專網需要承載電力生產、調度、巡檢、管理等重要業務，是建設一流能源互聯網企業和提升電網安全管理要素的關鍵環節。量子保密通信技術與5G硬切片技術結合需要多維度的考慮，尤其在面對較為復雜的電力配網業務時，需要針對其特點進行多個方面的設計[17]。

在進行整體系統架構設計時，要考慮量子保密技術與5G硬切片技術的能力定位，并分析配網應用與配網主站的設備類型、數據量大小、時延要求、安全要求等方面的因素，針對生產控制大區和管理信息大區業務進行相應的設計。整體系統架構如圖3所示，量子保密技術作為數據加密手段發揮目前最安全的通信加密體系優勢，5G硬切片網絡作為數據傳輸手段發揮解決配網“最后一公里”通信痛點的優勢，通過在地市公司和配網應用終端部署量子安全設備和5G硬切片專網設備，實現端到端數據傳輸的量子安全加固，解決由于邊緣節點接入異構終端增多、用戶數量增多和業務應用日益豐富導致的數據安全問題。

圖2 量子密鑰分發工作原理

2.2 配網量子保密通信實現方案

為實現電力配網量子密鑰的遠距離的安全分發，需要開發量子密鑰充注機、量子密鑰管理平臺等軟硬件設備，構建以量子密鑰能力開通調度平臺為中心，量子密鑰充值機為通道，量子安全客戶機為載體的量子保密通信網絡[11]，量子通信配網應用系統架構如圖4所示。在傳輸方式上，量子密鑰層的量子密鑰電力配網應用側與地市供電公司大樓（發送端/接收端）之間的連接通過單獨部署的單芯裸光纖，結合量子通信鏈路的可靠成碼條件，對 QKD 與 QKD 之間的距離和光纖衰減也有適當的要求，建議配網應用與地市供電公司大樓距離＜50 km，光纖衰減程度＜13 dB[18]。量子能力開通調度管理平臺系統將量子隨機數發生器通過密鑰充注機，充注進已完成密鑰介質發行的量子U盾、量子TF卡或量子軟key。在申領量子U盾等密鑰介質后，插入客戶端（或將軟key導入終端，或將量子密鑰導入連接服務端的量子增強適配設備），利用API調用密鑰介質/量子增強適配設備，進行接入認證和工作密鑰協商。基于工作密鑰，配網應用端、主站端之間完成相應的量子安全加密通信，從而實現量子密鑰的安全存儲和分發，實現配網應用的量子安全保密通信。

圖3 基于量子通信及5G硬切片專網的配網應用系統整體架構

圖4 量子通信配網應用系統架構

2.3 5G硬切片專網架構方案

5G硬切片專網的主要體現以下兩大維度：電力與其他行業及個人用戶通信業務之間的專網隔離，以及電力自身生產控制大區和管理信息大區業務之間的隔離。針對上述兩大維度，可從無線電接入網、承載網和核心網3個方面分別設計專網隔離策略[19]，5G硬切片配網應用系統架構如圖5所示。

5G無線電接入網主要體現在配網應用與5G基站通信方面。在進行網絡切片選擇時，5G無線接入網基于無線資源控制（radio resource control，RRC）消息中的Temp ID 或者網絡切片選擇輔助信息（network slice selection assistance information，NSSAI）選擇接入和移動性管理功能（access and mobility management function，AMF）。電力配網應用終端在和AMF建立通信時獲取AMF所支持的切片信息，并基于預先定義的切片，進行5G無線網絡調度。針對電力業務高標準的隔離需求，可以通過RB資源預留技術，在配網應用涉及的5G基站預留足夠的空口資源，硬性保障電力業務，避免其他行業或者個人業務影響配網應用的性能表現。

5G承載網主要體現在運營商的基站與核心網的網元通信方面。通過每個切片端到端硬管道隔離，在傳統以太網架構的基礎上，引入了全新的FlexE技術，實現介質訪問控制（medium access control，MAC）子層，屬于數據鏈路層和物理層（physical layer，PHY）的解耦。當配網業務數據流進入5G基站后，經過數據的捆綁（小管道合并供大數據使用）、子速率化（大管道供小數據使用）、通道化（大管道供大數據使用）形成基于FlexE的配網業務硬隔離專網，實現在承載網環境的其他行業或者個人業務與配網業務的物理隔離。

圖5 5G硬切片配網應用系統架構

5G核心網主要體現在下沉核心網的網元與調度邊界安全隔離裝置通信方面。5G 核心網可以分為控制面和用戶面，控制面網元主要包含AMF、會話管理功能（session management function，SMF）、網絡切片選擇功能（network slice selection function，NSSF）、認證服務器功能（authentication server function，AUSF）、統一數據管理（unified data management，UDM）功能、策略控制功能（policy control function，PCF）等，用戶面網元主要為UPF。其中，與配網業務轉發數據高相關的網元主要為SMF、UPF。在電力終端連接5G網絡基本信令及通信建立后，SMF、UPF將負責電力業務的會話管理和業務轉發，具體包括SMF負責電力業務的IP地址分配管理、UPF進行選擇及策略實施、QoS中的控制部分、計費數據采集、漫游等功能。UPF負責電力業務的路由轉發、策略實施、流量報告、QoS處理等，相當于電力配網業務的出口網關。根據電力管理需求，業務轉發的出口網關應在本地部署，需要部署一套獨享的UPF網元于地市供電公司調度機房，并在同一硬件資源池上虛擬出電力業務專用的邏輯核心網元，為每個獨立切片包含完整的核心網控制面和用戶面功能，形成服務電力配網應用的專網[20]。

3 配網業務量子保密通信及5G硬切片專網驗證

2021年5月，國家電網、中國移動、北京交通大學、國科量子與華為在浙江寧波聯合驗證了配網業務量子通信及硬切片專網，驗證了量子保密通信和5G硬切片技術在配網應用的可行性。

3.1 配網業務量子保密通信驗證

為驗證量子保密通信系統在配網業務中的適用性，需要驗證量子保密通信信號能否在復雜配網業務環境中穩定傳輸，本文從量子設備對接與量子系統穩定性兩方面進行評估。

首先，驗證測試量子安全網關與相關設備對接功能，即兩臺量子安全網關可以通過底層以太網絡實現對接，進行數據正常傳輸及傳輸過程中成功加、解密。在驗證過程中，如圖4所示搭建測試系統，確保量子密鑰分發子系統正常工作，能向量子安全網關輸出量子密鑰；其次，將量子安全網關與兩端設備對接，量子安全網關底層以太網絡，使用量子密鑰進行數據傳輸加解密；最后，在配網調度主站或模擬網絡可以同量子安全網關對接及業務通信，通過網絡出口設備進行流量鏡像及抓包，發現有ESP協議即加密協議，說明量子安全網關與相關設備能夠實現正常對接。

此外，針對量子通信系統在電網環節下的穩定成碼性能，測試了量子通信QKD系統在實際電力架空線路柱上開關的量子比特誤碼率（發送端和接收端在選擇同樣測量基的情況下，接收端出現錯誤結果的概率）[21]。結果顯示量子信道衰減5 dB，量子態誤碼率0.76%，滿足量子比特誤碼率小于11%的最低理論安全成碼要求，有效保證量子通信系統在電網業務中的穩定性和可用性。

3.2 5G硬切片專網通信驗證

5G硬切片專網的驗證須在無線電接入網、承載網、核心網進行端到端的測試。無線網絡設備采用華為的AAU/BBU 5G設備，部署于配網應用地區，承載網設備采用華為的PTN980設備，實現基于基站到核心網的傳輸，核心網設備采用華為E9000設備，部署于地市供電公司的核心機房。部署在基站上的AAU設備以上下行RB最小比例表示切片專用RB資源；部署在承載網的PTN980設備配置兩個FlexE分組切片，切片2承載電力配網專享業務，配置1 GB帶寬；切片1為默認切片，承載基站To C業務，配置占用剩余的鏈路大時隙帶寬；部署在地市供電公司的E9000設備通過防火墻、正反向隔離裝置上聯國網OPEN5200配電自動化系統，下聯浙江移動核心網，并與配網業務的電力終端進行認證綁定。

5G硬切片專網與普通用戶網絡資源使用對比如圖6所示，經驗證，在對電力切片配網應用硬切片業務滿灌包時，普通用戶可使用30% RB資源，硬切片業務最大可使用70%資源，1 Gbit/s承載網帶寬資源；配網硬切片應用不進行業務時，普通用戶最高可使用70% RB資源。即證明5G硬切片專網業務最低能夠使用30%的無線RB資源，1 Gbit/s的承載網帶寬資源，滿足5G硬切片專網定義。

3.3 配網業務量子保密通信及5G硬切片專網的網絡指標驗證

在完成上述系統搭建后，進行配網業務量子保密通信及5G硬切片專網的關鍵網絡指標驗證。

圖6 5G硬切片專網與普通用戶網絡資源使用對比

（1）通過測試平臺模擬電力配網主站，將配網終端的10個遙信變位模擬信息進行量子安全加密，經5G硬切片網絡上送測試平臺，經解密后在測試平臺順利監測到遙信變位信息，并可通過測試平臺對配網終端進行遙控，即完成信源?信宿之間的傳輸。

（2）在對應5G基站的傳輸設備PTN980進行報文監測，分別獲取RSA（Ron Rivest-Adi Shamir-Leonard Adleman）算法加密的遙信報文和量子加密的遙信報文，并分別嘗試破譯。結果顯示RSA加密的遙信報文在具有RSA密鑰的情況下較容易破解，在不具有RSA密鑰的情況下需大量時間破解，而采用量子加密的遙信報文由于其難以偽造性、難以否認性及難以回溯性幾乎無破解可能。

（3）測試平臺與配網應用終端進行連續28 h的灌包測試，在平臺側生成相關測試結果模型。如圖7和表1所示，測試結果表明，5G加量子保密通信的最小時延為13.11 ms，最大時延為141.83 ms，平均時延為16.89 ms，點對點下行速率發送380 Mbit/s，接收371 Mbit/s，點對點上行速率發送31.2 Mbit/s，接收30 Mbit/s。基本滿足電力配網應用的通信需求[21]，后期計劃采用授時精度更加精準的5G模組，進一步優化網絡性能指標，更加有效支撐電力配網業務。

4 結束語

隨著5G技術在電網應用的逐步深入，配網應用的安全性和可靠性逐漸成為電力行業研究的熱點課題。量子通信作為被理論證明是無條件安全的新一代通信加密技術，對保障配電網5G專網的安全性具有重要價值。本文首先介紹了5G網絡切片關鍵技術和量子保密通信技術的基本原理，在此基礎上，提出了基于量子保密技術及5G硬切片專網的配網應用方案架構，并在浙江寧波區域配電應用中進行了實地部署和系統驗證。驗證結果表明，量子態誤碼率僅為0.76%，滿足量子通信最低理論安全成碼要求，同時配網業務5G硬切片專網的端到端平均時延為16.89 ms，基本滿足電力配網應用的時延要求，且量子通信技術能夠保障傳輸數據進行正常加解密，破解難度極高，驗證了量子保密通信和5G硬切片技術在配網應用的可行性。

本文提出的基于量子保密通信及5G硬切片專網的配網應用方案對于解決配網領域創新應用的安全性問題具有一定的指導意義，也為量子保密通信技術在電力行業的拓展推廣提出了可行的探索路徑。

圖7 配網業務量子保密通信及5G硬切片網絡指標測試

表1 關鍵網絡指標測試結果

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Application research of distribution network based on quantum secure communication and 5G hard-slicing private network

WU Zhongping1, WANG Lujie2, XU Jianuo2, WANG Yanbo3, ZHANG Liwei1

1. Information and Communication Company, State Grid Ningbo Electric Power Company, Ningbo 315048, China 2. Ningbo Branch of China Mobile Zhejiang Co., Ltd., Ningbo 315048, China 3. Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China

With its significant advantages of ultra-low latency, ultra-high bandwidth, and ultra-large-scale connection, 5G technology effectively compensates for the shortcomings of traditional optical fiber communication in the distribution network field, and provides a new network communication method for power distribution applications. However, the information security issues brought by the applications of 5G technology have appeared gradually. Based on this, a distribution network application scheme based on quantum secure communication and 5G hard-slicing private network was proposed. An end-to-end 5G hard-slicing private network for distribution network services was customized, and ensuring data transmission security by quantum secure communication technology. And this scheme has been deployed and verified in the actual distribution service network scenario, and the results showed that the average delay of 5G hard-slicing private network was 16.89 ms, the download sending and receiving rates were 380 Mbit/s and 371 Mbit/s, respectively, the upload sending and receiving rates were 31.2 Mbit/s and 30 Mbit/s, which meets the communication requirements of distribution network applications. Based on quantum secure communication technology, the quantum bit error rate was 0.75%, and the transmitted data can be encrypted and decrypted smoothly, which verified the feasibility of quantum secure communication and 5G hard-slicing technology in the distribution network.

5G, network slice, quantum secure communication, distribution network, information security

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022003

2021?09?17；

2021?12?08

王路杰，wanglujie4@zj.chinamobile.com

吳忠平（1970?），男，國網寧波供電公司信息通信分公司高級工程師，主要研究方向為電力系統通信。

王路杰（1996?），男，中國移動通信集團浙江有限公司寧波分公司助理工程師，主要研究方向為5G網絡信息通信。

許佳諾（1995?），女，中國移動通信集團浙江有限公司寧波分公司助理工程師，主要研究方向為5G網絡信息通信。

王彥博（2000?），男，北京交通大學在讀，主要研究方向為建模及圖像處理。

章立偉（1982?），男，國網寧波供電公司信息通信分公司高級工程師，主要研究方向為電力系統通信。