0  引言

    智能電網(wǎng)通過(guò)使用面向未來(lái)的技術(shù)、設(shè)備、方法，整合系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全、可靠、環(huán)境友好的目標(biāo)。未來(lái)電網(wǎng)的建設(shè)方向毫無(wú)疑問(wèn)是智能電網(wǎng)，而智能電網(wǎng)是以高壓、特高壓電網(wǎng)為骨干，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的新型電網(wǎng)。在智能電網(wǎng)的建設(shè)中，建設(shè)高效率、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、多種應(yīng)用集成的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。智能電網(wǎng)在獲取實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)、電量、保護(hù)等數(shù)據(jù)上都需要通信系統(tǒng)的支持，因此，建立先進(jìn)的電力通信系統(tǒng)是走向智能電網(wǎng)的第一步。

    目前應(yīng)用于電網(wǎng)的通信方式主要有光纖通信、電力線載波、電話專線、CATV通道、無(wú)線擴(kuò)頻、無(wú)線通信系統(tǒng)、微波通信、專線RS-485、數(shù)傳電臺(tái)、北斗等，這些各不相同的通信方式應(yīng)用于不同的電力業(yè)務(wù)場(chǎng)景，最主要的應(yīng)用場(chǎng)景有：特高壓輸電線路、遠(yuǎn)程電力調(diào)度、配電終端FTU/TTU的通信、負(fù)荷控制、低壓用戶遠(yuǎn)程抄表等。

    隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量提出了更高的要求，這其中智能配電網(wǎng)的地位尤其突出。在智能配電網(wǎng)中，由于其延伸至各個(gè)用電區(qū)域，可以說(shuō)是電網(wǎng)中的接入網(wǎng)。在這種情況下，信息安全至關(guān)重要，而數(shù)據(jù)加密是信息安全的重要手段。

    由于配電網(wǎng)在整個(gè)電網(wǎng)中的位置和作用，在智能配電網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)非?；祀s，這主要包括：

    （1）下行數(shù)據(jù)

    下行數(shù)據(jù)相對(duì)比較少，但是非常重要，主要是遙控、遙調(diào)、遙信、遙脈（四遙）和保護(hù)裝置及其他自動(dòng)裝置的整定值信息等。這類數(shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)息息相關(guān)，尤其是遙控信息，將能夠直接影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此對(duì)于這些數(shù)據(jù)的傳送，在安全性和實(shí)時(shí)性兩個(gè)方面的要求都很高。

    （2）上行數(shù)據(jù)

    上行數(shù)據(jù)量很大，主要是遙信、重要遙測(cè)、事件順序記錄、SOE信息等。這些數(shù)據(jù)可以幫助上層做出判斷，并可能觸發(fā)告警和故障信息平臺(tái)。

    這類數(shù)據(jù)是配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的判據(jù)，也是調(diào)度決策的依據(jù)，其高安全性和實(shí)時(shí)性是系統(tǒng)運(yùn)行非常重要的指標(biāo)。

    結(jié)合各種通信方式自身的優(yōu)缺點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，各終端通信接入方式可在光纖接入（PON）、電力線載波（中壓PLC）和無(wú)線公網(wǎng)（WiFi、3G/4G）等三種方式中選擇。伴隨著智能配電網(wǎng)的深入發(fā)展，PON系統(tǒng)由于其實(shí)時(shí)性得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文著重于配電網(wǎng)采用PON系統(tǒng)通信時(shí)的加密研究。

1  配電網(wǎng)PON通信介紹

    PON系統(tǒng)是點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，而配電網(wǎng)是串行結(jié)構(gòu)，PON本身的物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不適用于配電網(wǎng)通信，需要引入新的技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?。在配電網(wǎng)中使用的光分路器是不等比光分，從而實(shí)現(xiàn)光分路器的串聯(lián)，進(jìn)而適應(yīng)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

    PON網(wǎng)絡(luò)在配電網(wǎng)中的使用方式如圖1所示。實(shí)際使用中還有多種方式，但是大同小異。鑒于篇幅的原因，本處不進(jìn)行PON網(wǎng)絡(luò)用于配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面的深入探討，重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)用后的信息安全問(wèn)題。

    在PON網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是點(diǎn)到多點(diǎn)的，其下行信元的傳輸是廣播式的，所有用戶都可以在物理上收到OLT發(fā)向其他用戶的下行信息，那么惡意用戶就有可能在某個(gè)下路點(diǎn)偵聽到所有終端的下行幀信息，進(jìn)而進(jìn)行破壞。前文已經(jīng)說(shuō)明，下行信息雖然比較少，但是非常重要。其中很多都是非常關(guān)鍵的信息，比如遙控信息。

    在G.983.1標(biāo)準(zhǔn)中，PON網(wǎng)絡(luò)的安全是依靠如下機(jī)制實(shí)現(xiàn)的：在上行幀，完全以明文進(jìn)行傳輸。在下行幀，每個(gè)ONT提供3 B長(zhǎng)密鑰，由OLT使用該密鑰對(duì)下行信元進(jìn)行擾碼處理。從密碼學(xué)研究來(lái)看，擾碼方式所能實(shí)現(xiàn)的安全級(jí)別很低，而且如此短長(zhǎng)度的密鑰在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的情況下極易被破解。因此，PON系統(tǒng)在用于配電網(wǎng)場(chǎng)景時(shí)，需要引入新的方法，完善其整體的加密安全機(jī)制。

2  AES介紹

    AES算法是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所NIST的新一代私鑰加密標(biāo)準(zhǔn)。作為新一代的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，其匯聚了強(qiáng)安全性、高性能、高效率、易用和靈活等優(yōu)點(diǎn)。該加密算法已經(jīng)被認(rèn)定成為美國(guó)政府信息安全加密的主要手段。

    算法具體的加密流程如圖2。

    在AES加密標(biāo)準(zhǔn)中，采用的是分組密碼，分組密碼也就是把需要加密的明文分成一組一組等長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的分組的明文長(zhǎng)度可以是128、192或256 bit。對(duì)應(yīng)的密鑰的長(zhǎng)度可以使用128、192或256 bit。根據(jù)密鑰長(zhǎng)度的不同，推薦使用的加密輪次有10輪、12輪和14輪。當(dāng)加密運(yùn)算開始后，算法每次對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，逐組順序加密，直到加密完全部的明文。本文的討論和測(cè)試數(shù)據(jù)均基于128 bit的分組，密鑰也是同樣的長(zhǎng)度，加密輪次本文選定的為10輪。其他情況可以據(jù)此類推。

2.1  AES算法流程

    AES算法主要的加解密操作有字節(jié)替換、行變換、列變換、輪密鑰加4個(gè)基本操作。其基本流程如圖3所示。

    下邊對(duì)相應(yīng)的操作逐個(gè)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.1.1  字節(jié)替換

    AES算法的核心是字節(jié)代換，這也是該算法效率高的根源，這其實(shí)就是一個(gè)簡(jiǎn)單的查表操作。基于這個(gè)原理，該算法定義了一個(gè)S盒（圖4）和一個(gè)逆S盒(圖5)。

    在AES算法中，狀態(tài)矩陣中的元素按照下面的方式映射為一個(gè)新的字節(jié)：將該元素的字節(jié)的高4位作為行值，低4位作為列值，據(jù)此取出S盒或者逆S盒中對(duì)應(yīng)的行的元素作為輸出。根據(jù)圖3的顯示，在加密時(shí)，如果輸出的字節(jié)S1為0x6f，則查S盒的第0x06行和0x0f列，得到值0xa8，然后替換S1原有的0x6f為0xc9。

    逆字節(jié)代換也就是查逆S盒來(lái)變換。逆字節(jié)代換與字節(jié)代換剛好相反，此處不再贅述。

2.1.2  行變換

    算法中的行移位是一個(gè)簡(jiǎn)單的左循環(huán)移位操作。在密鑰長(zhǎng)度為128 bit時(shí)，狀態(tài)矩陣的第0行左移0 B，第1行左移1 B，第2行左移2 B，第3行左移3 B。

    行移位的逆變換就是將狀態(tài)矩陣中的每一行執(zhí)行相反的移位操作，也就是簡(jiǎn)單的右循環(huán)移位操作。例如AES-128中，狀態(tài)矩陣的第0行右移0 B，第1行右移1 B，第2行右移2 B，第3行右移3 B。

2.1.3  列變換

    列混合變換的操作的實(shí)質(zhì)是矩陣相乘，經(jīng)過(guò)行移位之后的狀態(tài)矩陣與固定的矩陣相乘，得到混淆后的狀態(tài)矩陣，如圖6的公式所示。

    逆向列混合變換可由圖7的矩陣乘法定義。

2.1.4  輪密鑰加

    輪密鑰加的操作，是算法首次進(jìn)行帶入密鑰的操作。其核心思想是將128 bit的輪密鑰Ki同狀態(tài)矩陣中的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐位異或操作，然后將結(jié)果代入。其中，密鑰Ki中每個(gè)W[4i],W[4i+1],W[4i+2],W[4i+3]為32位比特字，長(zhǎng)度為4 B，與需要操作的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。輪密鑰加過(guò)程實(shí)際上是字逐位進(jìn)行異或的結(jié)果，也可以看成是字節(jié)級(jí)別或者是位級(jí)別的操作。

    在算法中，這個(gè)階段的操作有一個(gè)特點(diǎn)，就是輪密鑰加操作的逆運(yùn)算操作同正向的輪密鑰加運(yùn)算是完全一致的，這是因?yàn)楫惢虿僮鞯哪娌僮骶褪瞧渥陨怼?/p>

2.2  AES算法優(yōu)化

    本文所研究的加密算法實(shí)現(xiàn)方案聚焦于將算法流程進(jìn)行資源并行的優(yōu)化，從而提高效率，并盡量避免資源消耗。

    核心是將現(xiàn)有的算法流程采用流水線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將操作盡可能地細(xì)化，細(xì)分到一個(gè)時(shí)鐘周期，并且盡可能減少并行的操作，這樣做的好處是不需要增加多少資源就可以實(shí)現(xiàn)效率的大幅提升。

    將整個(gè)流程按照時(shí)鐘周期逐個(gè)進(jìn)行時(shí)鐘周期分段，把整個(gè)加密操作劃分為5個(gè)分段，每個(gè)分段剛好占用一個(gè)時(shí)鐘周期，具體分段如圖8所示。

    在時(shí)鐘周期之間進(jìn)行操作并行，根據(jù)上面的分析，對(duì)整個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)采取5級(jí)流水線設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)?組數(shù)據(jù)開始進(jìn)行時(shí)，第2組數(shù)據(jù)開始輸入，以此類推，這樣數(shù)據(jù)通路中最多有5組要加密的數(shù)據(jù)在同時(shí)進(jìn)行處理，1~N代表N組需要加密的128 bit數(shù)據(jù)。

3  FPGA硬件實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)

    對(duì)本文中的優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，使用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行了算法描述，并采用 Mentor Graphics公司的Modelsim軟件進(jìn)行算法運(yùn)算仿真。

    經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的編寫和測(cè)試，優(yōu)化后的算法可以正確地完成大批量數(shù)據(jù)的加密和解密過(guò)程，運(yùn)行穩(wěn)定。

    實(shí)驗(yàn)使用Altera公司的Quartus工具在10AX115U4的工藝庫(kù)上進(jìn)行硬件邏輯單元綜合，顯示其關(guān)鍵路徑延時(shí)為3.078 ns，算法共計(jì)使用了1 127個(gè)邏輯單元，在10 MHz的低頻率下，算法加、解密的速率可以達(dá)到600 Mbit/s以上。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)與以往研究結(jié)果的對(duì)比（如表1所示），可以看出本文的方法使用硬件邏輯單元更少，主頻更低，加解密的效率卻達(dá)到了相當(dāng)好的吞吐率，方法非常適宜于形成獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的AES加密芯片，應(yīng)用于電力系統(tǒng)的PON通信中。

4  ASIC實(shí)現(xiàn)

    與FPGA實(shí)現(xiàn)相比，ASIC實(shí)現(xiàn)具有完整的定制功能，降低器件成本，更小巧的尺寸，可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

    本文已完成AES算法在電力配網(wǎng)PON通信中的FPGA具體實(shí)現(xiàn)，仿真結(jié)果顯示占用資料少、效率高，適用于形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的加密芯片。接下來(lái)主要是運(yùn)用Synopsys綜合工具將芯片設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為面向ASIC專用集成電路的設(shè)計(jì)，并且在廠商工藝庫(kù)的支持下，遵循ASIC設(shè)計(jì)流程來(lái)進(jìn)行代碼的模擬仿真、綜合和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)FPGA到ASIC的轉(zhuǎn)換。

5  結(jié)束語(yǔ)

    伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，我國(guó)的電力通信主干網(wǎng)絡(luò)己完全實(shí)現(xiàn)傳輸介質(zhì)的光纖化、業(yè)務(wù)承載的網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)行監(jiān)控和管理的自動(dòng)化和信息化。然而，作為電力數(shù)據(jù)傳輸接入層網(wǎng)絡(luò)的配電通信網(wǎng)，因缺乏相應(yīng)的加密芯片等原因，智能電網(wǎng)的可靠性和信息安全成為電力發(fā)展的瓶頸，制約了智能配電系統(tǒng)業(yè)務(wù)的發(fā)展與應(yīng)用。

    下一步，就是繼續(xù)完善設(shè)計(jì)，加速該方法的實(shí)用化，盡快將方法應(yīng)用于電力配網(wǎng)PON通信中。

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作者信息:

黨三磊，張  捷，李  健，劉  健，張思建

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080）