智能电网终端通信方案及安全策略研究

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1、智能电网终端通信方案及安全策略研究 智能电网终端通信方案及安全策略研究 技术总结报告 1. 项目概述 1. 项目概述 智能电网计划是国家电网公司2009年5月21日首次公布的，其内涵是以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，实现电力系统从发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节的智能感知、智能识别、智能控制的功能，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合。智能电网中的每一个用户和节点都得到实时监控，通过电子终端将用户之间、用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现数据读取的实时、高速、双向的总体效果。智能电网可以整合系统中的数据，优化电网的管理，将电网提升为互动运

2、转的全新模式，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率。 建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础，没有这样的通信系统，任何智能电网的特征都无法实现。智能电网的数据获取、保护和控制都需要高速、可靠的通信系统的支持，因此建立安全快捷的通信系统是迈向智能电网的第一步。同时，要完成用户终端的智能控制，通信系统要和电网一样深入到千家万户，从而形成两张紧密联系的网络：电网和通信网络，以实现智能电网的建设目标。 高速、 双向、 实时、 集成的通信系统使智能电网成为一个动态的、实时信息和电力交换互动的大型的基础设施。当这样的通信系统建成后，它可以提高电网的供电可靠性和资产的利用率，繁荣电力市场

3、，抵御电网受到的攻击，从而提高电网价值。 研究智能电网的通信平台和终端接入机制，需要兼顾现有条件、标准和应用需求。在这一技术领域主要有两个方面的技术需要重点关注，其一就是开放的通信架构，它形成一个“即插即用”的环境，使电网元件之间能够进行网络化的通信；其二是统一的技术标准，它能使所有的传感器、智能电子设备(IEDs)以及应用系统之间实现无缝的通信， 也就是信息在所有这些设备和系统之间能够得到完全的理解，实现设备和设备之间、设备和系统之间、系统和系统之间的互操作功能。为此，研究用户终端的接入方案具有重要意义。面向用户终端的通信接入具有典型特征：节点众多，避免复杂布线；覆盖区域大；实时通信，速度快

4、；安全可靠。随着无线通信技术的发展，尤其是宽带无线局域网的广泛应用，一些先进的无线通信技术可以应用于智能电网的终端接入。 目前，在无线接入方面是多种标准并存的局面，并处于更新、演化之中。由美国英特尔公司开发的Wi-Fi是一个无线局域网(WLAN)的国际标准，占领了无线接入领域的大部分市场。从早期的802.11a,b到后来的802.11g，又到现在深受用户和厂商关注的802.11n标准， Wi-Fi协议的每个动作都引来多方面的关注。 然而，Wi-Fi身份认证和加密机制存在安全隐患， 为推广我国自主研发的WAPI无线技术，维护国家利益，政府规定进入我国的无线数码产品取消Wi-Fi功能。在WAPI成

5、为国际标准得到认可后，允许两种模式并存。目前已有集802.11系列协议的安全标准WEP、WPA、WPA2以及WAPI为一体的无线通信芯片问世，比如北京中电华大电子公司推出的HED06W03SP芯片，提供安全多模能力，支持WAPI/WEP/WPA/WPA2 安全标准，并具有完全自主知识产权。应用具有多模能力的无线通信芯片构建基于Wi-Fi的终端接入方案，既可以利用Wi-Fi的产业链优势和成熟的技术成果，又能提高安全性能，是智能电网终端无线接入的优选方案。考虑到Wi-Fi传输的距离限制，只能适用于局部范围内的终端接入，构成无线传感网络；在远程数据传输方面，可以采用GPRS、3G等现有无线通信网络实

6、现，见图1。 图 1 智能电网终端接入与远程通信平台初步方案 因此，在智能电网终端通信方案研究中，首先需要分析终端接入方案的安全性能与缺陷，寻求解决措施；其次，要定义设备描述信息模型，实现即插即用；最后，需要在现有无线通信网络环境下，实现信息的远程传输。 2. Wi-Fi 技术的安全性能分析 2. Wi-Fi 技术的安全性能分析 Wi-Fi 是一种短距离的无线通信技术，主要应用于局域网中，除个别版本使用 5GHz 频段外，主要使用 2.4GHz 频段，采用 802.11 协议族，实现对有限网络的延伸。 Wi-Fi 技术定义在 OSI 七层网络模型的物理层和数据链路层的 MAC 子层，对于数据的

7、安全性， Wi-Fi 使用 WEP 和 WPA 加密方法来实现数据加密和身份验证。 2.1 WEP 的安全性能分析 2.1 WEP 的安全性能分析 WEP （Wired Equivalent Privacy， 有线等效保护） 是无线局域网协议 802.11中的第一个安全加密机制，定义在数据链路层，用于无线通信中的访问控制和数据加密。 2.1.1 WEP 的加密策略 2.1.1 WEP 的加密策略 当无线工作站要访问 AP（Access Point）时，首先要进行身份验证。无线工作站发出认证请求，AP 收到请求后，生成随机内容传回。无线工作站将随机内容采用 RC4 算法加密后传给 AP。AP 将

8、收到的内容与自身根据随机内容和加密算法计算出的数据进行比对，若相等则验证成功，并通知无线工作站通过身份认证。 在通过身份认证后传输数据的过程中，仍采用 WEP 方式加密，通过共享密钥实现。WEP 加密方法定义在数据链路层的 MAC 层和逻辑链路层(LLC)之间，具体实现过程参见图 2，3。 图 2 WEP 加密过程 图 3 WEP 解密过程 2.1.2 WEP 的安全缺陷 2.1.2 WEP 的安全缺陷 WEP 算法希望达到三个目的：首先是在无线工作站和 AP 之间实现身份认证；其次是通过数据加密保证通信安全，防止窃听；第三是通过 CRC-32 算法进行完整性验证，防止数据被篡改。但该加密算法

9、存在明显的安全隐患。 （1）32位的循环冗余校验算法CRC-32是信息的线性函数，可以被攻击者篡改加密信息，通过修改ICV使数据包合法，不能根本保证数据完整性。 （2）24位的初始化向量(IV)和固定的密钥容易引起密钥重用攻击，因此不能保证数据传输的机密性。 （3）RC4算法的弱密钥和运行模式问题。因为RC4算法采用对称流密码算法，即加密与解密使用相同的密钥，造成了密钥分发和管理的困难。流加密即串行加密，这意味着特定的明文对应于加密后的特定密钥串，这就给黑客破译密钥提供了方便。同时由于WEP密钥是固定的，它与所形成的RC4密钥具有某种相关性，从而降低了安全性。 （4）WEP 没有定义密钥管理机

10、制，无线工作站和 AP 的密钥需要手工分发，更改比较麻烦，一般较长时间不会更改。如果 WLAN 中一个用户丢失密钥，会殃及整个网络的安全。 （5）采用的密钥长度固定，分别是 64 位或 128 位，其对应的用户密钥为40 位或 104 位， 即 5 个字符 （10 个十六进制数） 或 13 个字符(26 个十六进制数） ，由于用户在设定密码时有一定的固定模式，从而降低了破解难度。 （6）WEP协议中规定的身份认证是单向的。即访问节点AP对申请介入的移动站点STA进行身份验证，而STA并不对AP的身份进行验证，也会造成安全隐患。 2.2 WPA 的安全性能分析 2.2 WPA 的安全性能分析 2

11、.2.1 WPA 的加密策略 2.2.1 WPA 的加密策略 为了应对WEP的安全缺陷， Wi-Fi联盟于2002年lO月推出了一种新的加密方式WPA(Wi-Fi Protected Access)来弥补，这一安全性被设计为兼容现在的802.11产品并与802.1li标准兼容。 WPA提供了增强型的数据加密、 健壮的密钥管理系统、数据来源认证以及数据完整性保护等新的安全机制，从而提高WLAN的安全性。 WPA加密算法包括两个版本: WPA = 802.1x + EAP + TKIP + MIC（工业级，需要认证服务器） = Pre-shared Key + TKIP + MIC（家用级，不需要

12、服务器） 802.11i(WPA2)= 802.1x + EAP + AES + CCMP = Pre-shared Key + AES + CCMP 其中，802.1x+EAP(Extensible Authentication Protocol，可扩展认证协议)，Pre-shared Key(PSK，预置共享密钥)是身份校验算法（WEP没有设置身份验证机制）,TKIP(Temporal Key Integrity Protocol瞬时密钥集成协议)和AES(高级加密标准Advanced Encryption Standard)是数据传输加密算法（类似于WEP加密的RC4算法）,MIC( M

13、essage Integrity Code信息完整性编码)和CCMP(Cipher Block Chaining with Message Authentication Code Protocol，即CBC-MAC Protocol,密码分块链接报文认证码协议)是数据完整性编码校验算法（类似于WEP中CRC-32算法）。 WPA安全机制的健壮性来源于TKIP加密和802.1x+EAP作为认证机制，其安全性比WEP要强得多。 TKIP采用保护性增强的密钥序列,它还增加了信息完整性验证,以阻止伪造的数据包。表1是WPA与WEP的加密技术指标对比。 表1 WPA与WEP对比 加密机制 密钥长度 加密

14、方式 密钥发放 认证方式 WEP 40 静态加密 人工分发 密钥自行认证 WPA 128 动态会话加密自动分发 802.1x+EAP 增强用户认证 WPA 的认证分为两种：第一种采用 8021x+EAP 的方式，用户提供认证所需的凭证，如用户名密码，通过特定的用户认证服务器(一般是 RADIUS 服务器，RADIUS: Remote Authentication Dial In User Service， 远端用户拨入认证服务)来实现。在大型企业网络中，通常采用这种方式。但是对于一些中小型的企业网络或者家庭用户，架设专用认证服务器代价太高，维护也很复杂，因此 WPA 也提供一种简化的模式，它不

15、需要专门的认证服务器。这种模式即为 WPA 预置共享密钥(PSK)，仅要求在每个 WLAN 节点(AP、无线路由器、网卡等)预先输入一个密钥即可实现。只要密钥吻合，客户就可以获得 WLAN 的访问权。由于这个密钥仅仅用于认证过程，而不用于加密过程，因此不会导致使用 WEP 密钥来进行 80211预共享认证那样严重的安全问题。 在通过了8021x身份验证之后，AP会得到一个与STA(无线工作站)相同的会话Key，AP与STA将该会话Key作为PMK(Pairwise Master Key，对于使用预共享密钥的方式来说，PSK就是PMK)。随后AP与STA通过EAPOL-KEY进行WPA的四次握手

16、(4-Way Handshake)过程。在这个过程中，AP和STA均确认对方是否持有与自己一致的PMK，如不一致，四次握手过程就告失败。为了保证传输的完整性，在握手过程中使用了名为MIC(Message Integrity Code)的检验码。在四次握手的过程中，AP与STA经过协商计算出一个512位的PTK(Pairwise Transient Key)，并将该PTK分解成为五种不同用途的密钥。其中前128位用做计算和检验EAPOL-KEY报文的MIC的密钥，随后的128位作为加密EAPOL-KEY的密钥；接下来的128位作为AP与该STA之间通信的加密密钥的基础密钥(即为该密钥再经过一定的计算后得出的密钥作为二者之间的密钥)； 最后两个64位的密钥分别作为AP与该STA之间报文的MIC计算和检验密钥。 2.2.2 WPA 的安全隐患 2.2.2 WPA 的安全隐患 WPA比WEP要更为安全，但也并非无懈可击，仍存在一些安全问题。包括黑客从无线传输中截取关键信息、破解无线网络的安全密钥等。WPA的问题集中在对PSK的使用上， PSK是为那些不愿意使用单独的认证服务器的小企业和