0  引言

    隨著電力業(yè)務(wù)應(yīng)用向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的延伸，可以使用移動(dòng)作業(yè)終端對(duì)變電站蓄電池實(shí)現(xiàn)智能管理，快捷有效地檢測(cè)出失效電池并預(yù)測(cè)蓄電池使用性能變化趨勢(shì)，科學(xué)地對(duì)變電站蓄電池進(jìn)行運(yùn)行評(píng)估，篩選出可修復(fù)蓄電池和不可修復(fù)蓄電池分別進(jìn)行修復(fù)和回收再利用，確保變電站內(nèi)蓄電池的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

    目前，傳統(tǒng)的安全認(rèn)證和電子簽名手段已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足移動(dòng)作業(yè)終端的安全應(yīng)用需求：以用戶(hù)名+口令形式的認(rèn)證方式容易被破解；采用短信驗(yàn)證碼認(rèn)證時(shí)，短信內(nèi)容容易被劫持；動(dòng)態(tài)口令容易被釣魚(yú)；作為最高安全級(jí)別的USBKey智能密碼鑰匙，也存在使用不方便、分發(fā)管理困難、成本高的問(wèn)題。如何為智能電池管理系統(tǒng)提供基于移動(dòng)作業(yè)終端的可靠身份認(rèn)證和電子簽名服務(wù)是急需解決的問(wèn)題。

    數(shù)字簽名^[1]作為數(shù)據(jù)的密碼運(yùn)算結(jié)果，提供以下特性：數(shù)據(jù)源可認(rèn)證性、數(shù)據(jù)完整性和簽名者不可抵賴(lài)性。數(shù)字簽名技術(shù)和移動(dòng)終端的身份認(rèn)證技術(shù)結(jié)合，形成基于移動(dòng)終端的數(shù)字簽名模型，即為移動(dòng)簽名。移動(dòng)簽名具有可靠、便捷等特點(diǎn)，可推動(dòng)電力業(yè)務(wù)移動(dòng)平臺(tái)安全架構(gòu)的發(fā)展，為智能電池管理等電網(wǎng)業(yè)務(wù)保駕護(hù)航。

    傳統(tǒng)數(shù)字簽名方案和移動(dòng)數(shù)字簽名方案有著重大區(qū)別：前者基于已有的傳統(tǒng)公鑰基礎(chǔ)設(shè)施和密鑰分發(fā)機(jī)制建立，簽名操作運(yùn)行在本地環(huán)境，常見(jiàn)如USBKey、SD卡等設(shè)備；后者則涉及簽名方與遠(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)之間的安全網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，需解決簽名方使用便捷和簽名私鑰安全傳輸?shù)葐?wèn)題。因此，本文提出一種在移動(dòng)作業(yè)環(huán)境下用于生成數(shù)字簽名的技術(shù)方案，并討論了該方案在智能電池管理中的應(yīng)用。云簽名方案通過(guò)將私鑰（主要用于用戶(hù)端數(shù)字簽名）分割成服務(wù)端和用戶(hù)端兩部分的方式，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)端私鑰的集中管理，同時(shí)，又確保了數(shù)字證書(shū)與另一部分用戶(hù)私鑰的安全。

1  方案的目標(biāo)

    在移動(dòng)作業(yè)環(huán)境下用于生成數(shù)字簽名的方案目標(biāo)如下：

    （1）基于移動(dòng)應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)簽名，通過(guò)移動(dòng)設(shè)備如掌機(jī)等，完成智能電池管理業(yè)務(wù)的移動(dòng)簽名應(yīng)用；

    （2）完成對(duì)智能電池管理安全應(yīng)用平臺(tái)的密碼算法升級(jí)，采用國(guó)密SM1、SM2、SM3、SM4系列算法，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)加密、簽名等操作；

    （3）實(shí)現(xiàn)數(shù)字證書(shū)及其私鑰的安全存儲(chǔ)，重點(diǎn)討論在移動(dòng)終端環(huán)境下，密鑰在移動(dòng)簽名服務(wù)平臺(tái)的安全存儲(chǔ)和應(yīng)用；

    （4）將傳統(tǒng)的密碼機(jī)、簽名驗(yàn)簽服務(wù)等密鑰服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，遷移到智能電池管理平臺(tái)的安全應(yīng)用層，為移動(dòng)簽名提供相關(guān)密碼服務(wù)。

2  方案的組成

    在傳統(tǒng)的數(shù)字簽名應(yīng)用中，采用現(xiàn)有的PKI體系（公共密鑰基礎(chǔ)設(shè)施），用于簽名的數(shù)字證書(shū)和私鑰都存儲(chǔ)在本地的安全介質(zhì)（如USBkey、SD卡等），簽名操作一般由客戶(hù)端安全組件調(diào)用安全介質(zhì)中的相關(guān)接口，本地實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)字簽名應(yīng)用已廣泛用于企業(yè)信息化、電子政務(wù)、金融、醫(yī)療、保險(xiǎn)等領(lǐng)域，但隨著移動(dòng)終端設(shè)備的普及，傳統(tǒng)的數(shù)字簽名應(yīng)用在易用性上已無(wú)法滿(mǎn)足移動(dòng)終端的應(yīng)用需求，本方案將提出一種基于移動(dòng)簽名的應(yīng)用方案。

2.1  初始化

    移動(dòng)簽名應(yīng)用以移動(dòng)終端代替?zhèn)鹘y(tǒng)的安全介質(zhì)，進(jìn)行數(shù)字證書(shū)和密鑰的安全存儲(chǔ)。應(yīng)用的過(guò)程中首先要完成初始化工作，如圖1所示，初始化過(guò)程中，主要進(jìn)行客戶(hù)端APP安裝和移動(dòng)簽名服務(wù)注冊(cè)。移動(dòng)簽名服務(wù)注冊(cè)的過(guò)程中需要提交手機(jī)號(hào)碼、設(shè)備指紋特征等信息，智能平臺(tái)將通過(guò)加解密服務(wù)，解密注冊(cè)信息，并通過(guò)手機(jī)驗(yàn)證碼等信息校驗(yàn)用戶(hù)身份，校驗(yàn)成功后，移動(dòng)平臺(tái)完成與已有智能電池管理業(yè)務(wù)賬號(hào)的關(guān)聯(lián)，完成初始化。

2.2  分發(fā)密鑰

    移動(dòng)簽名應(yīng)用中，密鑰的分發(fā)采用密鑰分割的方式，完成簽名私鑰的安全存儲(chǔ)，如圖2所示。完成移動(dòng)簽名服務(wù)注冊(cè)后，用戶(hù)通過(guò)APP提取設(shè)備指紋特征，向CA系統(tǒng)提交數(shù)字證書(shū)申請(qǐng)，CA系統(tǒng)向智能平臺(tái)密碼服務(wù)申請(qǐng)密鑰對(duì)，智能平臺(tái)密碼服務(wù)將證書(shū)公鑰返回給CA系統(tǒng)，并將私鑰分割^[2]為m1和m2兩部分，m1作為用戶(hù)密鑰，通過(guò)安全方式返回給客戶(hù)端，m2作為服務(wù)端密鑰存儲(chǔ)在云平臺(tái)密碼服務(wù)模塊。

2.3  移動(dòng)簽名的實(shí)現(xiàn)

    智能平臺(tái)上的智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)向用戶(hù)的移動(dòng)終端推送待簽名請(qǐng)求，簽名應(yīng)用流程如圖3所示，移動(dòng)終端可以通過(guò)掃描二維碼、專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)接收等方式，接收待簽名數(shù)據(jù)，使用用戶(hù)密鑰m1完成對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的簽名，并加密上傳至智能平臺(tái)，智能平臺(tái)接收并解密終端簽名數(shù)據(jù)，使用服務(wù)端密鑰m2實(shí)現(xiàn)移動(dòng)簽名，將客戶(hù)端簽名與服務(wù)端簽名一起合成最終移動(dòng)簽名，智能電池管理系統(tǒng)存儲(chǔ)該移動(dòng)簽名。

3  安全性分析

3.1  數(shù)據(jù)隔離安全性

    在移動(dòng)應(yīng)用模式下，用于移動(dòng)簽名的服務(wù)端密鑰存儲(chǔ)在智能平臺(tái)的密碼服務(wù)模塊中，客戶(hù)端用戶(hù)共享智能平臺(tái)提供的簽名服務(wù)，使得多個(gè)用戶(hù)數(shù)據(jù)可能在同一網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在同一磁盤(pán)中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在同一內(nèi)存區(qū)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這為用戶(hù)間數(shù)據(jù)的非法訪問(wèn)提供了便利條件。因此，智能平臺(tái)應(yīng)采取有效措施對(duì)不同用戶(hù)的云端密鑰m2進(jìn)行隔離，并在簽名調(diào)用過(guò)程中，嚴(yán)格驗(yàn)證用戶(hù)身份與服務(wù)端私鑰之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并拒絕任何對(duì)未關(guān)聯(lián)服務(wù)端私鑰的使用請(qǐng)求，保證數(shù)據(jù)的安全隔離。

3.2  算法安全性

    該方案中數(shù)字證書(shū)采用國(guó)家密碼管理局審批通過(guò)的SM2密碼算法，對(duì)稱(chēng)密碼算法采用SM1或SM4算法，摘要算法采用SM3算法。在算法使用上，符合國(guó)家電網(wǎng)的相關(guān)管理要求，保證密碼算法上的自主、安全、可控。

3.3  密鑰安全性

    由于本文方案采用私鑰分割方案，并對(duì)服務(wù)端密鑰采用集中管理，同時(shí)需要將用戶(hù)密鑰傳送到客戶(hù)端使用，因此在應(yīng)用中還需要從以下3個(gè)方面考慮對(duì)私鑰數(shù)據(jù)的保護(hù)：

    （1）私鑰的服務(wù)端密鑰應(yīng)存儲(chǔ)在密碼機(jī)等安全密碼介質(zhì)中，密碼機(jī)作為密鑰服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，為智能平臺(tái)提供數(shù)據(jù)加解密、電子簽名等密碼相關(guān)服務(wù)。

    （2）私鑰的用戶(hù)密鑰存儲(chǔ)以密文方式存儲(chǔ)在客戶(hù)端中。

    （3）采用專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)和加密傳輸?shù)却胧﹣?lái)完成客戶(hù)端與移動(dòng)簽名服務(wù)平臺(tái)之間的交互，且每一次交互都要求攜帶隨機(jī)數(shù)，以防止重放攻擊。

3.4  數(shù)字簽名的有效性

    數(shù)字簽名即電子簽名，在2005年4月1日頒布的《中華人民共和國(guó)電子簽名法》中明確提出了數(shù)據(jù)電文符合法律法規(guī)規(guī)定的書(shū)面形式、原件形式和保存形式的要求以及可靠電子簽名的要求，并在第十四條明確規(guī)定了“可靠的電子簽名與手寫(xiě)簽名或者蓋章具有同等的法律效力”。本方案中，所涉數(shù)字簽名要符合法律的相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)“可靠的電子簽名”需要考慮以下幾點(diǎn)：

    （1）在簽發(fā)電子簽名所使用的數(shù)字證書(shū)時(shí)，所有者的數(shù)字身份必須經(jīng)過(guò)有效核實(shí)，確保真實(shí)有效，本方案中可通過(guò)員工檔案或移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商身份信息庫(kù)對(duì)用戶(hù)的身份進(jìn)行核實(shí)。

    （2）電子簽名只能被它的所有者使用。他人如果使用的，必須有電子簽名所有者的明確授權(quán)才有效。本方案中，用于電子簽名的私鑰僅由移動(dòng)終端用戶(hù)本人控制，符合《電子簽名法》的相關(guān)規(guī)定，安全、有效。

    （3）電子簽名本身和它附著的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)是有相應(yīng)的技術(shù)保障其不能任意改動(dòng)的，本方案中，無(wú)論是電子簽名本身還是它附著的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均實(shí)現(xiàn)了安全存儲(chǔ)，無(wú)法改動(dòng)。

    綜上，本方案實(shí)現(xiàn)的數(shù)字簽名符合《電子簽名法》的相關(guān)規(guī)定，是可靠、有效的。

4  需要改進(jìn)的方面

4.1  改進(jìn)身份鑒別方案

    本方案采用了移動(dòng)終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)移動(dòng)簽名應(yīng)用，鑒于設(shè)備本身便攜、易遺失的特點(diǎn)，需改進(jìn)客戶(hù)端的身份鑒別方案。在調(diào)用用戶(hù)私鑰進(jìn)行數(shù)字簽名的過(guò)程中，需增加Pin碼校驗(yàn)、指紋校驗(yàn)、人臉識(shí)別等多種用戶(hù)身份鑒別方式，并與設(shè)備特征相關(guān)聯(lián)，使得用戶(hù)只能在已注冊(cè)的、獲得授權(quán)的設(shè)備中使用數(shù)字證書(shū)及用戶(hù)私鑰，確保用戶(hù)私鑰安全。

4.2  完善客戶(hù)端變更方案

    客戶(hù)端變更或遺失后，可能存在用戶(hù)私鑰遺失的問(wèn)題，需要完善客戶(hù)端的變更方案。首先，需停用并注銷(xiāo)服務(wù)端存儲(chǔ)的服務(wù)端密鑰m2，再由服務(wù)端的密碼服務(wù)模塊重新簽發(fā)密鑰對(duì)，并重新完成密鑰的安全分發(fā)，完成對(duì)數(shù)字證書(shū)公鑰的更新。在密鑰分發(fā)的過(guò)程中，需嚴(yán)格校驗(yàn)用戶(hù)的手機(jī)號(hào)碼或其它身份信息，防止非法用戶(hù)冒用他人身份，獲取數(shù)字證書(shū)及用戶(hù)私鑰。

5  智能電池管理應(yīng)用舉例

    智能電池管理可使用移動(dòng)作業(yè)終端，通過(guò)遠(yuǎn)程智能平臺(tái)對(duì)變電站蓄電池在線(xiàn)檢測(cè)、修復(fù)及評(píng)估體系，快捷有效地檢測(cè)出失效電池并預(yù)測(cè)蓄電池使用性能變化趨勢(shì)，科學(xué)地對(duì)變電站蓄電池進(jìn)行運(yùn)行評(píng)估，確保變電站內(nèi)蓄電池的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

    為保證智能平臺(tái)的應(yīng)用安全，需要對(duì)系統(tǒng)用戶(hù)進(jìn)行有效管控，對(duì)用戶(hù)下發(fā)的所有操作指令進(jìn)行有效追責(zé)，下面以智能電池管理系統(tǒng)為例，說(shuō)明移動(dòng)簽名在智能電池管理中的業(yè)務(wù)應(yīng)用，如圖4所示。

    圖4以用戶(hù)登錄認(rèn)證為例，簡(jiǎn)述了用戶(hù)通過(guò)移動(dòng)簽名技術(shù)登錄智能電池管里系統(tǒng)的應(yīng)用流程：

    （1）首先用戶(hù)通過(guò)移動(dòng)作業(yè)終端向智能電池管理系統(tǒng)發(fā)送登錄認(rèn)證請(qǐng)求；

    （2）智能電池管理系統(tǒng)接收登錄請(qǐng)求，并返回二維碼登錄信息；

    （3）移動(dòng)APP掃描該二維碼，確認(rèn)待簽信息，移動(dòng)作業(yè)終端通過(guò)Pin碼或指紋等方式鑒別用戶(hù)身份，校驗(yàn)無(wú)誤后，使用移動(dòng)作業(yè)終端上存儲(chǔ)的用戶(hù)密鑰m1，對(duì)待簽數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字簽名；

    （4）智能平臺(tái)上的相關(guān)密碼服務(wù)接收并解密終端簽名數(shù)據(jù)，并使用服務(wù)端密鑰m2實(shí)現(xiàn)待簽數(shù)據(jù)的服務(wù)端簽名；

    （5）將客戶(hù)端簽名和服務(wù)端簽名進(jìn)行組合，生成最終的移動(dòng)簽名，并將該移動(dòng)簽名發(fā)送給智能電池管理系統(tǒng)；

    （6）智能電池管理系統(tǒng)存儲(chǔ)移動(dòng)簽名，并校驗(yàn)簽名的有效性，校驗(yàn)成功，允許用戶(hù)登錄，返回客戶(hù)端成功登錄的消息。

    在智能電池管理業(yè)務(wù)應(yīng)用中，用戶(hù)可以依托手機(jī)、掌機(jī)等移動(dòng)作業(yè)設(shè)備，登錄智能平臺(tái)，完成智能電池管理業(yè)務(wù)操作。為確保智能平臺(tái)的安全運(yùn)行，可采用本方案中的移動(dòng)簽名技術(shù)解決智能電池管理業(yè)務(wù)中的身份認(rèn)證、關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)字簽名/驗(yàn)簽等需求。

6  結(jié)束語(yǔ)

    為確保在移動(dòng)作業(yè)終端上，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站蓄電池智能管理的安全應(yīng)用，本文提出了一種基于國(guó)密算法的移動(dòng)簽名技術(shù)，并從數(shù)據(jù)隔離、密鑰安全、算法安全、簽名有效性四個(gè)方面分析了方案的安全性，同時(shí)針對(duì)用戶(hù)身份鑒別、客戶(hù)端變更兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，提出了方案實(shí)施的改進(jìn)建議。最后，以智能電池管理系統(tǒng)用戶(hù)登錄場(chǎng)景為例，驗(yàn)證本方案的實(shí)用性。本方案需要改進(jìn)的地方還有很多，移動(dòng)簽名方案的安全模型，如私鑰的分割算法，仍需進(jìn)一步完善。

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作者信息:

陳奇輝1，2，趙卲康3，鄭  濤3，侯彥杰4，臧志成1，2，劉  娜1，2

（1.北京智芯微電子科技有限公司，國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室，北京100192；

2.北京智芯微電子科技有限公司，北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京100192；

3.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司信息通信分公司，河北 石家莊050022；

4.國(guó)網(wǎng)榆林供電公司，陜西 榆林 719000）