淺談變電站以太網(wǎng)組網(wǎng)的信息安全及保護論文
隨著(zhù)信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統越來(lái)越趨向于高度自動(dòng)化、信息化，以適應社會(huì )基礎建設發(fā)展的需求。迅速崛起的電力系統自動(dòng)化技術(shù)，給電力系統帶來(lái)強大功能的同時(shí)也給電力系統信息安全帶來(lái)了威脅,被攻擊后所造成的經(jīng)濟損失和災難性后果都是難以估量的。
電力系統是一個(gè)功能復雜的大型系統,包括了發(fā)電、輸變電、配電以及用戶(hù)用電等多個(gè)環(huán)節，其中變電站作為電力系統中極為重要的組成部分, 其安全性和穩定性的運行對于電力系統極為重要。通信的安全性和實(shí)時(shí)性是變電站自動(dòng)化系統在通信過(guò)程中存在的可能會(huì )被外界攻擊的關(guān)鍵問(wèn)題。這兩個(gè)性能經(jīng)常會(huì )一起被探討，因為實(shí)時(shí)性通常會(huì )受到基于安全手段的一些技術(shù)的影響,也會(huì )對變電站造成影響。
目前，國內外進(jìn)行的關(guān)于變電站信息安全方面的研宄主要有三種類(lèi)型。
第一是關(guān)于變電站自動(dòng)化系統通信信息安全的關(guān)鍵技術(shù)研宄，張韻等主要介紹了當前基于IEC 61850標準下變電站中大多數主流的信息安全防護的方法與技術(shù)。黃益莊等主要介紹了一些常用的智能化技術(shù)以及安全性防護手段,提出智能變電站是變電站綜合自動(dòng)化的發(fā)展目標。Ericsson G等主要從智能電網(wǎng)的發(fā)展角度,解釋了互聯(lián)網(wǎng)在變電站智能化和開(kāi)放性中的重要作用以及由此帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò )安全威脅。第二是變電站信息安全的仿真與評估研究，Ericsson G N等主要針對電力系統中信息安全的問(wèn)題進(jìn)行了包括安全框架、風(fēng)險評估以及安全技術(shù)這三方面的工作介紹,給出了不同的解決方案。Lu Z等重點(diǎn)就拒絕服務(wù)(DoS)攻擊做了定量研究分析，并分析了變電站的信息安全的威脅種類(lèi)。第三是關(guān)于變電站信息安全的算法研究，廖晨淞等給出并驗證了一種全新的身份認證方案，從而分析了IEC 61850標準下對于變電站的信息報文的需求。周立龍等針對變電站智能電子設備(IED)在進(jìn)行遠程配置時(shí)存在的安全問(wèn)題,提出了基于XML安全的遠程設定的方案，并驗證該方法可以實(shí)現變電站對配置語(yǔ)言的要求。
變電站以及整個(gè)電力系統能夠安全可靠的運行,在一定程度上將依賴(lài)于信息的安全通信。變電站與其外部或變電站本身的通信基本上都基于以太網(wǎng),包括調度室與變電站之間,變電站與變電站之間,變電站內部都需要更多的信息通信�；谝蕴W(wǎng)進(jìn)行的加密技術(shù)是一種在變電站安全應用中非常廣泛、最為簡(jiǎn)單實(shí)用的技術(shù)手段,在目前比較常用的加密方法中,在特定情況下各自都存在一定的局限性，因此，提出一種新的基于以太網(wǎng)的加密方案是確保變電站通信信息安全的一重要方式。
二、以太網(wǎng)在變電站通信系統中的應用
以太網(wǎng)具有很多特有的優(yōu)勢,使之能夠在包括變電站通信系統中成為主流應用。具體優(yōu)勢如下：
(1)以太網(wǎng)的數據傳輸速率高,越高的速率就能在通信工作量相同的前提下減少時(shí)間，大大減輕通信網(wǎng)絡(luò )的負荷。(2)以太網(wǎng)具有強大的開(kāi)放性, 能夠很大程度提高設備互相之間的操作性,簡(jiǎn)化用戶(hù)的工作，同時(shí)可以避免使用者被制造商的自身通信協(xié)議所限制。(3)以太網(wǎng)技術(shù)資源共享能力很強大，能輕易實(shí)現與其他控制網(wǎng)絡(luò )無(wú)縫銜接。(4)可以實(shí)現各種遠程訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)、遠程監控技術(shù)以及遠程維護等技術(shù)難題。(5)以太網(wǎng)具有極強的擴展性,能對各種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構有很好的支持,同時(shí)能夠支持眾多主流的的物理傳輸介質(zhì)。(6)以太網(wǎng)價(jià)格便宜，應用廣泛，可以推進(jìn)系統發(fā)展。
以太網(wǎng)雖有很多優(yōu)勢，但在實(shí)時(shí)性和安全性上仍存在一定的不足，在數字化技術(shù)下，變電站自動(dòng)化系統包括變電站與控制中心,變電站內部各層之間時(shí)刻都有信息在傳遞,還有各種報文根據不同情況進(jìn)行交流，對于信息的實(shí)時(shí)性和安全性要求極高。在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的情況下，提高以太網(wǎng)的安全性，發(fā)展一種更為安全的加密方案是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
三、以太網(wǎng)中的DES和RSA加密算法的優(yōu)缺點(diǎn)
在以太網(wǎng)中使用加密技術(shù)，可以極大的提高其安全性，同時(shí)減少了對CPU資源的占用，提高了系統的處理效率。加密技術(shù)是對明文采用特定的計算方式,使之變成一段沒(méi)有實(shí)際意義的，不可讀的“密文”,要想獲得原始的內容則必須有與加密算法對應的密鑰,通過(guò)這樣的手段來(lái)實(shí)現對原始對象的保護[8]。加密技術(shù)一般有以下兩類(lèi):1)對稱(chēng)加密算法，經(jīng)典是DES;2)非對稱(chēng)加密算法，經(jīng)典是RSA。
DES又叫數據加密算法(Data Encryption Algorithm,DEA)。密鑰在發(fā)送密文前，雙方互相交換，接收方在收到了發(fā)送方的密文之后采用相同的密鑰和算法可以進(jìn)行逆向處理，進(jìn)而得到明文,否則數據不具有實(shí)際意義。隨著(zhù)計算機計算能力的不斷提高,DES的攻擊常被一種稱(chēng)為暴力破解(也叫徹底密鑰搜索)方式破解攻擊,實(shí)際上是不斷地嘗試所有可能的密明直到找出合適的為止，所以DES目前的安全性不斷下降。
而RSA算法被國際標準化組織推薦成為公鑰數據加密標準，基本上能夠抵御己知的所有惡意攻擊。RSA算法與DES算法的原理不盡相同,核心是加密/解密密鑰在使用時(shí)是完全不同的，但可以相互匹配。相比DES算法而言,RSA算法極大的強化了信息的安全性。出于安全性考慮,RSA算法的密鑰一般要求500-1024比特。RSA算法的最大弊端因此產(chǎn)生,其計算量無(wú)論基于何種手段實(shí)現，都是極其龐大的。和DES算法相比,DES算法計算量幾乎將高出RSA算法好幾個(gè)數量級，RSA算法勢必會(huì )減慢變電站信息的傳遞效率，影響實(shí)時(shí)性。
四、基于DES和RSA混合加密方案的變電站通信安全
通過(guò)對各自加密算法的分析,我們可以看出無(wú)論DES算法還是RSA算法都存在著(zhù)一定的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)在某些特殊情況下是致命的。DES算法一般加密以64比特為單位的數據塊,因為其算法簡(jiǎn)單相對來(lái)說(shuō)多應用在大量數據下,在計算量上具有很大的優(yōu)勢，缺點(diǎn)是相對容易破解，密鑰管理也成為了問(wèn)題，容易被第三方非法獲得。RSA出現稍晚于DES,這種算法不對稱(chēng)。兩密鑰同時(shí)關(guān)聯(lián)產(chǎn)生,并不能通過(guò)算法推算,其安全性要遠比DES好。但RSA缺點(diǎn)是計算量龐大,而且在對明文進(jìn)行加密時(shí),明文長(cháng)度也會(huì )有一定的限制,所以RSA算法一般只應用于重要敏感的場(chǎng)合的一些小量數據加密。一種混合DES和RSA算法的混合加密方案被提出，優(yōu)勢十分明顯。
一是密鑰匙管理上的優(yōu)勢，密鑰的管理模式對于加密技術(shù)的性能有極大的影響，本方案中中DES算法的密鑰Ks屬于一次性密鑰，在使用之后即被舍棄,而被傳輸的會(huì )話(huà)密鑰由于經(jīng)過(guò)了RSA算法加密不需要在通信前將密鑰發(fā)送給接受方,只要斷路器保管好自己的私鑰就可以了;二是安全性能上的優(yōu)勢，該方法的安全等級和單純使用RSA時(shí)等價(jià)。RSA算法對DES算法的密鑰進(jìn)行再次加密,極大程度的確保了DES算法的安全性。三是時(shí)間上的優(yōu)勢，之前提到了該方案的安全性其實(shí)與單獨運用RSA算法一樣的,但是這個(gè)方案比單純RSA算法的最大優(yōu)勢就在于時(shí)間上的優(yōu)勢。RSA算法本身會(huì )產(chǎn)生大量冗余,計算量較大,對于變電站通信過(guò)程中實(shí)時(shí)性要求是致命的。本方案對明文使用了DES算法,這樣加密和解密不僅使所占用的時(shí)間較少,而且明文的長(cháng)度不會(huì )受限，然后只對DES的會(huì )話(huà)密鑰使用RSA加密,數據并不大,從而節省了大量時(shí)間，提高運算效率。
五、結論
變電站與其外部或變電站本身的通信基本上都基于以太網(wǎng)，以太網(wǎng)進(jìn)行的單一加密技術(shù)存在弊端，然而一種新的基于以太網(wǎng)的混合DES和RSA加密方案，可以很好滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求，提高以太網(wǎng)的安全性，從而可以提高變電站自動(dòng)化系統及其信息的安全性，具有一定的應用價(jià)值。
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