CN106534183A - 一种针对远程测控终端***的sm2\sm3\sm4混合加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对远程测控终端***的SM2\SM3\SM4混合加密方法，属于工业控制信息安全相关领域，以及一种包括基于椭圆曲线的数字签名密钥分配方案，软件部分采用嵌入式Linux安全加固操作***，SSL加密的WEB管理界面，确保加密速率不低于20MB/s的目标下，实现了对数据采集与监视控制***软件端到端的信源加密。所提出的混合加密算法数据传输速度有所提高，理论值达到33MB/s。提出了一种基于求解椭圆曲线离散对数问题的困难性的数字签名的可认证密钥分配方案，该方案可对会议密钥和签发者进行认证。

Description

一种针对远程测控终端***的SM2\SM3\SM4混合加密方法

技术领域

本发明涉及一种针对远程测控终端***(RTU)的SM2\SM3\SM4混合加密方法，属于工业控制信息安全相关领域。

背景技术

近些年，通讯技术、计算机技术、网络技术、控制技术取得了突飞猛进的进展，新技术被广泛应用于各种自动控制***装置上，新的自动控制产品不断出现，成熟的自动控制产品不断升级，新技术的出现驱动了行业产业升级。远程测控终端***(RTU)是构成综合自动化***的核心装置。早期的RTU只能进行简单的数据采集，和一些开关量的控制且通信能力较弱，多数产品采用自定义的非标准协议。经过多年的发展，现阶段RTU具备PID控制功能、自动检测、自动存储、加密传输、拒绝非法IP地址访问等功能。

国内的RTU产品主要应用在油田自动化、输油输气管网监控***、城市供水、供气管网监控***。在这些行业早期的应用中使用的几乎全都是国外的RTU产品。我国的RTU技术和产品起步较晚，近些年国内一些企业开始自己设计RTU，其设计思想基本上跟随国际的发展路线。但目前真正具备RTU设计和开发能力的企业并不多，其产品与国际顶尖RTU产品也有一定的差距。主要差距表现在产品的可靠性、标准性和通用性上。

随着伊朗“震网病毒”的爆发，引发了工控领域针对RTU安全性、可靠性的新一轮研究，RTU技术正向着具有稳定性、安全性的智能化方向发展。

由于安全性是目前通信网络中最大的问题，智能化RTU可将数据在传输前进行加密，也可以拒绝那些来自未知地址的访问。RTU目前在油气储运、管道传输、天然气门站等方面广泛应用，而安全性更是重中之重。

当前，工控***的实时数据大多采用Modem通过载波、微波或E1远动信道传输到调度端；极少数采用了UDP方式，且应用其他技术实现了实时数据网和外网的完全隔离，实时数据的安全问题并不突出。而对以光纤十同步数字系列(SDH)+网际协议(IP)技术为主的第4代能量管理***(EMS)，将主要采用TCP/IP协议。由此带来的实时数据的网络安全问题也浮出水面。

工控***数据网络上传输的数据非常混杂。应考虑加密的信息包括下行数据、上传数据、管理数据，根据这些加密信息的价值、加密要求和防御成功代价的大小，需要选择不同的加密策略。针对传统的工业控制***所面临的信息安全的问题，发明了针对远程测控终端***(RTU)的SM2\SM3\SM4混合加密方法以及一种数字签名密钥分配方案。

发明内容

针对传统的工业控制***所面临的信息安全的问题，为了实现数据采集与监视控制***(SCADA)软件端到端的信源加密，且加密速率不低于20MB/s，发明包括了一种针对远程测控终端***(RTU)的SM2\SM3\SM4混合加密方法，以及一种包括基于椭圆曲线的数字签名密钥分配方案，该方法能有效的对RTU数据进行加密，提高了工业控制***的安全性、可靠性、稳定性。

本发明软件部分采用嵌入式Linux安全加固操作***，SSL加密的WEB管理界面，在用户账号安全、网络服务安全、***设置安全、文件***安全、日志***安全等方面加强防护，具有极高的安全性和可靠性。

该方法包括如下技术流程：密钥分配及数字签名技术方案，包括基于椭圆曲线的数字签名密钥分配方案。

本方案基于基本ECDSA方案：ECDSA签名过程如下，

(1)A选择一个整数t,1＜t＜n计算tP＝(x,y),r＝xmodn；

(2)计算e＝h(m)；

(3)计算s＝t^-1(e+rk)modn

(4)m签名为(s,r)

签名的验证：

(1)计算e＝h(m)

(2)计算u＝s^-1e,v＝s^-1r

(3)计算(x₁,y₁)＝uP+vP_k,r₁＝x₁modn

(4)如果r＝r₁接受这个签名

利用签名方程u＝ωt+vk，令u,ω,v取e,s,r给出签名方案的集中，选择其中的一个方程推导出签名方案：

(1)e＝st+rk,(2)e＝rt+sk,(3)s＝et+rk,(4)r＝et+sk,(5)r＝st+ek

ECDSA方案就是u,ω,v取e,-r,s

可认证会话密钥分配方案：设***参数是(F_q E P n)，其中F_q为一个有限域，椭圆曲线为E，P是E上的一个有理数点，称为基点，n是P的阶，***的每一个用户有一个私钥k，公钥是P_k＝kP。***有一个Hash函数h。若K个相同的点相加，表示为KP；

通信双方为A、B，通信双方A、B的私钥分别为k_A、k_B，通信双方A、B的公钥为P_A＝Pk_A，P_B＝Pk_B；

由通信方A选择会话密钥。由第三个方程式(3)s＝et+rk出发，经过变换得到签名等式s＝t^-1(e+rk)，由于是密钥分配，所以取e＝1，签名等式为s＝t^-1(1+rk)。

步骤1：通信方A随机选择一个整数t，1＜t＜n，并选择会话密钥k，将k映射为E(F_q)上的点G开。

步骤1.1A计算Q＝G+tP_B,tP＝(x,y)取r＝xmodn；

步骤1.2A计算s＝t^-1(1+rk_A)modn，通信方A将(Q,r,s)传送给通信方B。

步骤2：通信方B接收到(Q,r,s)后，计算：

s^-1modn和M＝(x^*,y^*)＝s^-1(P+rP_A)

若r＝x^*modn则通信方B接受通信方A的签名，即认证通信方A，然后通信方B计算：G^*＝Q-k_nM，并将G^*CE映射到k，此即为会话密钥。

在此方案基础上，有相应的可认证会议密钥分配方案。

认证会议密钥分配方案：

设***参数是(F_q,E,P,n)，C为会议***，会议成员为(j＝1,2...m)，密钥分别为k_c,k_j，公钥为P_G＝k_GP,P_j＝k_jP由C选择会话密钥。

步骤1：C选择会议密钥k，并为每个成员随机选择一个整数t_j,1＜t_j＜n，将k映射为E上的点(F_q)，映射方法公开。

(1)C计算Q_j＝G+t_jP_jt_jP＝(x_j,y_j)取r_j＝x_jmodn

(2)C计算s_j＝t_j ^-1(1+r_jk_c)modn(j＝1,2...m)

C将(Q_j,r_j,s_j)传送给每一位U_j。

步骤2：每位U_j接收到(Q_j,r_j,s_j)后，计算：

(1)s^-1 _jmodn

(2)M_j＝(x_j ^*,y_j ^*)＝s_j ^-1(P+r_jP_c)

若r_j＝x_j ^*modn则U_j接受C的签名，即认证C，然后U_j计算：G^*＝Q_j-k_jM_j；并将G^*映射到k，此即为会话密钥。

本发明在确保加密速率不低于20MB/s的目标下，实现了对数据采集与监视控制***(SCADA)软件端到端的信源加密，数字证书身份认证等功能模块与核心芯片(SSX45)的融合协同等技术难题。提出了一种混合数据加密算法技术(基于航天芯片(SSX45)，所提出的SM2\SM3\SM1加密算法通过增大包数据大小的方法，减少加解密次数，提高数据传输过程中的速度，理论值达到33MB/s以上。包括基于椭圆曲线的数字签名密钥分配方案。实现了对于工业控制***安全性、稳定性的有效提升。

本发明所涉及到的方案技术效果包括：

1、确保加密速率不低于20MB/s的目标下，实现了对数据采集与监视控制***(SCADA)软件端到端的信源加密。

2、所提出的混合加密算法数据传输速度有所提高，理论值达到33MB/s。提出了一种基于求解椭圆曲线离散对数问题的困难性的数字签名的可认证密钥分配方案，该方案可对会议密钥和签发者进行认证

附图说明

图1为软件设计框图。

具体实施方式

一种针对远程测控终端***(RTU)的SM2\SM3\SM4混合加密方法软件设计如图1所示。

密码子***中底层深入封装技术方案：

加密后的数据传输采用底层深入封装技术，具体原理如下：

提供了基本的服务器端网络通信功能，功能主要有开启服务器、关闭服务器、管理客户端连接列表、管理未决的接受请求列表、发出异步操作等。同时通过多态机制向它的派生类提供以下基本扩展接口：

(1)新连接确立的处理接口。

(2)客户端断开连接时的处理接口。

(3)连接出现错误时的处理接口。

(4)从客户端接收完数据后的处理接口。

(5)向客户端发送完数据后的处理接口。

(6)拼包处理接口。

CUserServer类继承CIocpServer，在CIocpServer的基础上，CUserServer加入了一些服务器逻辑处理功能，并且封装了3类数据队列和3类处理线程，分别如下：

1)接收数据包队列及接收线程：接收队列用于存放接收

到的数据包，此数据包还没有进行逻辑意义上的拼包，接收线程从此队列中取出数据包，并将其拼装成逻辑意义上完整的数据包加入到逻辑数据包队列中。

2)逻辑数据包队列及逻辑处理线程：逻辑队列用于存放已经拼包成了逻辑意义上的数据包，逻辑处理线程对此类数据包进行逻辑解析，这里就是服务器的主要逻辑部分，有的数据包在处理完成后，可能是需要向客户端返回处理结果，此时就需要逻辑线程将处理完成的数据包放入发送数据包队列中。

3)发送数据包队列及发送线程：发送队列存放待发送的数据包，发送线程根据数据包里的客户端套接字发送给特定客户端。

Claims (2)

1.一种针对远程测控终端***的SM2\SM3\SM4混合加密方法，本方法的软件部分采用嵌入式Linux安全加固操作***，SSL加密的WEB管理界面，在用户账号安全、网络服务安全、***设置安全、文件***安全、日志***安全方面加强防护，具有极高的安全性和可靠性；

其特征在于：该方法包括如下流程，密钥分配及数字签名技术方案，包括基于椭圆曲线的数字签名密钥分配方案；

本方案基于基本ECDSA方案：ECDSA签名过程如下，

(1)A选择一个整数t,1＜t＜n计算tP＝(x,y),r＝x mod n；

(2)计算e＝h(m)；

(3)计算s＝t^-1(e+rk)mod n

(4)m签名为(s,r)

签名的验证：

(1)计算e＝h(m)

(2)计算u＝s^-1e,v＝s^-1r

(3)计算(x₁,y₁)＝uP+vP_k,r₁＝x₁mod n

(4)如果r＝r₁接受这个签名

利用签名方程u＝ωt+vk，令u,ω,v取e,s,r给出签名方案的集中，选择其中的一个方程推导出签名方案：

(1)e＝st+rk,(2)e＝rt+sk,(3)s＝et+rk,(4)r＝et+sk,(5)r＝st+ek ECDSA方案就是u,ω,v取e,-r,s

可认证会话密钥分配方案：设***参数是(F_q E P n)，其中F_q为一个有限域，椭圆曲线为E，P是E上的一个有理数点，称为基点，n是P的阶，***的每一个用户有一个私钥k，公钥是P_k＝kP；***有一个Hash函数h；若K个相同的点相加，表示为KP；

通信双方为A、B，通信双方A、B的私钥分别为k_A、k_B，通信双方A、B的公钥为P_A＝Pk_A，P_B＝Pk_B；

由通信方A选择会话密钥；由第三个方程式(3)s＝et+rk出发，经过变换得到签名等式s＝t^-1(e+rk)，由于是密钥分配，所以取e＝1，签名等式为s＝t^-1(1+rk)；

步骤1：通信方A随机选择一个整数t，1＜t＜n，并选择会话密钥k，将k映射为E(F_q)上的点G开；

步骤1.1A计算Q＝G+tP_B,tP＝(x,y)取r＝x mod n；

步骤1.2A计算s＝t^-1(1+rk_A)mod n，通信方A将(Q,r,s)传送给通信方B；

步骤2：通信方B接收到(Q,r,s)后，计算：

s^-1mod n和M＝(x^*,y^*)＝s^-1(P+rP_A)

若r＝x^*mod n则通信方B接受通信方A的签名，即认证通信方A，然后通信方B计算：G^*＝Q-k_nM，并将G^*CE映射到k，此即为会话密钥；

在此方案基础上，有相应的可认证会议密钥分配方案；

认证会议密钥分配方案：设***参数是(F_q,E,P,n)，C为会议***，会议成员为(j＝1,2...m)，密钥分别为k_c,k_j，公钥为P_G＝k_GP，P_j＝k_jP由C选择会话密钥；

步骤1：C选择会议密钥k，并为每个成员随机选择一个整数t_j,1＜t_j＜n，将k映射为E上的点(F_q)，映射方法公开；

(1)C计算Q_j＝G+t_jP_jt_jP＝(x_j,y_j)取r_j＝x_jmod n

(2)C计算s_j＝t_j ^-1(1+r_jk_c)mod n(j＝1,2...m)

C将(Q_j,r_j,s_j)传送给每一位U_j；

步骤2：每位U_j接收到(Q_j,r_j,s_j)后，计算：

(1)s^-1 _jmod n

(2)

若r_j＝x_j ^*mod n则U_j接受C的签名，即认证C，然后U_j计算：G^*＝Q_j-k_jM_j；并将G^*映射到k，此即为会话密钥。

2.根据权利要求1所述的一种针对远程测控终端***的SM2\SM3\SM4混合加密方法，其特征在于，

密码子***中底层深入封装技术方案：

加密后的数据传输采用底层深入封装技术，具体原理如下：

提供了基本的服务器端网络通信功能，功能主要有开启服务器、关闭服务器、管理客户端连接列表、管理未决的接受请求列表、发出异步操作等；同时通过多态机制向它的派生类提供以下基本扩展接口：

1)新连接确立的处理接口；

2)客户端断开连接时的处理接口；

3)连接出现错误时的处理接口；

4)从客户端接收完数据后的处理接口；

(5)向客户端发送完数据后的处理接口；

(6)拼包处理接口；

CUserServer类继承CIocpServer，在CIocpServer的基础上，CUserServer加入了一些服务器逻辑处理功能，并且封装了3类数据队列和3类处理线程，分别如下：

1)接收数据包队列及接收线程：接收队列用于存放接收；

到的数据包，此数据包还没有进行逻辑意义上的拼包，接收线程从此队列中取出数据包，并将其拼装成逻辑意义上完整的数据包加入到逻辑数据包队列中；

2)逻辑数据包队列及逻辑处理线程：逻辑队列用于存放已经拼包成了逻辑意义上的数据包，逻辑处理线程对此类数据包进行逻辑解析，这里就是服务器的主要逻辑部分，有的数据包在处理完成后，可能是需要向客户端返回处理结果，此时就需要逻辑线程将处理完成的数据包放入发送数据包队列中；

3)发送数据包队列及发送线程：发送队列存放待发送的数据包，发送线程根据数据包里的客户端套接字发送给特定客户端。