CN107135045B - 基于差值检测的变电站自适应网络及其时钟同步安全方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于智能变电站网络安全技术领域，尤其涉及一种基于差值检测的变电站自适应网络及其时钟同步安全方法。网络包括：光网络单元ONU、同步光线路终端OLT和EPON协议处理器；每个ONU有两个接口永远具有相同的状态，采用主、备链路的冗余配置；EPON协议处理器通过多点控制协议与ONU通信。方法包括：EPON协议处理器将时间戳传递给每一个ONU；OLT比较ONU的两个接口是否在规定时差内收到报文以及报文携带的同步时间戳的一致性，若否，则有安全威胁，对时不调整；若是，则OLT检测往返时延RTT值差值是否超过规定的门限值，若是，则有安全威胁，对时不调整；若未超过门限值，则完成ONU注册开始正常通信。

Description

基于差值检测的变电站自适应网络及其时钟同步安全方法
技术领域
本发明属于智能变电站网络安全技术领域，尤其涉及一种基于差值检测的变电站自适应网络及其时钟同步安全方法。
背景技术
智能变电站自适应网络物理结构与EPON(Ethernet Passive Optical Network，以太网无源光网络)相同，而在核心交换机采用标签交换的思想，实现了GOOSE、SV和MMS三网合一。为了提高网络可靠性，建立了双星型(A、B)网络架构，A、B网络构成主备用方式。新型智能变电站自适应网络的可靠性对整个智能变电站的稳定运行具有重要作用，尤其是时间同步***至关重要。IEEE1588标准为新型智能变电站***定义了精确时钟同步协议PTP，并且实现变电站亚微秒精度的时间同步。但是，如果时间同步故障，或者被破坏，特别是***中的设备被植入破坏程序后，一旦破坏程序被执行并开始破坏时钟同步，就会使跨间隔保护(变压器，母线)因为采样不同步而退出运行，甚至误动作，从而导致变电站故障。
发明内容
为了提高变电站网络时钟的安全性，解决新型智能变电站通信对时网络遭受攻击时的防御机制不完善，应对中间人攻击状况，本发明提供一种基于差值检测的变电站自适应网络及其时钟同步安全方法。
网络包括：光网络单元ONU、同步光线路终端OLT和EPON协议处理器；其中，每个光网络单元ONU的接口模块有两个接口永远具有相同的状态，变电站网络采用主、备链路的冗余配置方式；每个光网络单元ONU都会跟踪同步光线路终端OLT的时钟源；EPON协议处理器通过内部多点控制协议MPCP与每个光网络单元ONU进行通信。
方法包括：
步骤1、智能变电站网络的EPON协议处理器将时间戳传递给每一个光网络单元ONU；
步骤2、同步光线路终端OLT比较光网络单元ONU的两个接口是否在规定时差内收到的报文，若否，则判定对时存在安全威胁，并发出警告，且不采取时间对时调整；若是，则执行步骤3；
步骤3、同步光线路终端OLT检测光网络单元ONU的两个接口收到的报文中的往返时延RTT值，若两个往返时延RTT值差值超过规定的门限值时，判定对时存在安全威胁，并发出警告，且不采取时间对时调整；若两个往返时延RTT值差值未超过规定的门限值，则完成光网络单元ONU注册并与光线路终端OLT开始正常通行。
所述光网络单元ONU的注册过程包括：
步骤301、光线路终端OLT以一定时间间隔发送注册发现帧广播给每个光网络单元ONU，其目的地址为广播逻辑链路标记LLID，此帧包含发现窗口的开始时间，窗口的大小根据***中距离最远的光网络单元ONU来确定；
步骤302、新光网络单元ONU收到注册发现帧后，根据接收的时钟标签字段调整本地时钟，然后在规定的开窗时间内向光线路终端OLT发送注册请求帧，同时光网络单元ONU通过多点控制协议MPCP报文进行延迟测量；
步骤303、光线路终端OLT在一个窗口收到唯一一个注册请求帧后广播发送注册控制帧给该光网络单元ONU，该控制帧中包含为该光网络单元ONU分配的逻辑链路标记LLID及同步时间，同时将逻辑链路标记LLID与光网络单元ONU的MAC地址关联在一起；
步骤304、光线路终端OLT接着给光网络单元ONU发送注册授权帧，以便光线路终端OLT调度光网络单元ONU上行发送的时隙，与此同时多点控制协议MPCP测距完成，计算的往返时延RTT值也将被光网络单元ONU用于时间更新；
步骤305、新光网络单元ONU收到注册授权帧后，将新分配的逻辑链路标记LLID替换原来的逻辑链路标记LLID，同时向光线路终端OLT发送注册确认帧；
步骤306、光线路终端OLT收到注册确认帧后，刷新该光网络单元ONU的逻辑链路标记LLID，完成光网络单元ONU的自动发现过程。
所述协议处理器通过内部多点控制协议MPCP报文传递时间戳。
所述时间戳为基于IEEE1588协议的时间戳。
本发明的有益效果在于：
通过对智能变电站中EPON时间同步***的分析，针对中间人攻击，提出一种新的ONU侧双PON口差值检测机制来防范这种攻击模型，对所提出的模型进行链路延迟时间仿真测量来验证增加的检测机制能成功对攻击给出告警并终止时间更新。
通过对比正常状态下的往返延迟时间RTT、中间人攻击状态下的RTT和加入差值检测机制的RTT值，表明本发明提出的机制能够对中间人的攻击给出告警，并在ONU侧不误调整时钟，加强了新型变电站网络时间同步***的健壮性。
通过对比正常状态下的往返延迟时间RTT、中间人攻击状态下的RTT和加入差值检测机制的RTT值，表明本发明的ONU侧检测机制能成功对中间人攻击进行告警，使ONU侧终止时间更新，加强了新型变电站网络时间同步***的健壮性和安全性。
附图说明
图1为正常链路RTT示意图。
图2为中间人攻击的RTT示意图。
图3为加入ONU差值检测机制后的RTT效果图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
本发明在智能变电站网络的基础上引入了无源光网络技术PON，组建拓扑结构简单、可靠的双星形网络结构，PON的上下行数据传输采用单光纤波分复用技术，可以大量减少变电站光纤网络的复杂度，进一步提高网络的可靠性；基于PTN交换机的变电站通信网络中，为了进一步提高变电站的时钟网络的可靠性，采用标准的并行冗余协议(PRP)方式，每个ONU接口模块有两个接口永远具有相同的状态，变电站网络采用主备网络的冗余配置方式，当PRP运行时，时钟源连接的最高主时钟分别连接到主备网络核心交换机上，当主用时钟装置故障时可以无缝切换到备用时钟装置上，主时钟发送的时钟同步报文选用在主备网络上双路并发、主动放弃方式；新型智能变电站EPON***是一个时间同步的体系，每一个ONU都会跟踪OLT的时钟源。ONU上线注册的过程就是时间同步的过程。EPON协议处理器通过内部MPCP(Multi-Point Control Protocol，多点控制协议)报文将IEEE1588时间戳传递给每一个ONU，ONU收到1588时间戳后补偿往返时延RTT(Round-Trip Time)，生成ONU的1588时间戳，该时间戳与1588时钟源同步。
本发明ONU的注册过程：
(1)OLT以一定间隔(一般设置为1s)发送注册发现帧广播给每个ONU，其目的地址为广播LLID(全零)，此帧包含发现窗口的开始时间，同时根据***中距离最远的ONU确定窗口大小(一般20公里为250微秒)。
(2)新ONU收到注册发现帧后，根据接收的时钟标签字段调整本地时钟，然后在规定的开窗时间内向OLT发送注册请求帧，同时ONU收到MPCP(Multi-Point ControlProtocol，多点控制协议)报文的延迟测量。
(3)OLT在一个窗口收到唯一一个注册请求帧后，OLT广播发送注册控制帧给该ONU，该控制帧中包含为该ONU分配的LLID及同步时间，同时将LLID与ONU的MAC地址关联在一起。
(4)OLT接着给ONU发送注册授权帧(MPCP测距完成，计算RTT)，此时发送是为ONU发送带宽授权信息，以便OLT调度ONU上行发送的时隙，再此同时MPCP测距完成，计算的RTT值也将被ONU用于时间更新。
(5)新ONU收到注册授权帧后，将新分配的LLID替换原来的LLID，同时向OLT发送注册确认帧。
(6)OLT收到注册确认帧后，刷新该ONU的LLID，那么ONU的整个自动发现过程就已完成，ONU与OLT之间可以开始正常通信。
本发明采用PRP并行冗余协议更新时间信息：
每个设备有两个PON口并行发送数据，选择性接收，同时存在主备网来增加网络的可靠性。原理上，ONU从双PON口同步下来的1588时间戳是基本相同的(误差在几十纳秒)。当两个PON口光链路都正常的情况下，ONU只要任意跟踪一路1588时间戳即可。当注册完成后的正常状态下，ONU每次收到MPCP报文都会更新本地时间并监视变化情况，OLT每次收到MPCP报文都会更新并监视RTT的变化。ONU根据MPCP报文携带的OLT的时间戳信息、RTT值以及ONU本地的计时器即可计算并更新出1588时间。
分析中间人攻击方式：
中间人攻击存在中间设备获取MPCP报文中上层OLT的时间戳信息，以及OLT时钟节点基本信息(IP、MAC等)，并转发给下级的ONU设备，在正常的对时周期内，中间设备截获OLT设备和ONU设备之间的时间同步MPCP报文，中间人设备对于OLT相当于从时钟状态，对于下层ONU相当于主时钟状态。
中间人攻击节点能够通过改变发至ONU的时间信息值，来任意改变发送MPCP报文到ONU的时间，进而操纵链路RTT的值，这也就意味着攻击者能够任意操纵ONU节点的实时时钟，可使该ONU时钟节点设备逐步偏离OLT节点设备的实时时钟而不被发现故障，故障无法被发现也就不会被切换备用时钟网络，可能会造成主、备网络指令不一致，进而造成时钟更新的混乱。
本发明在ONU侧增加差值检测机制：
第一步：检测MPCP报文接收时差。每个ONU设备有两个PON口并行，比较ONU双口是否在规定时差内(可设置)同时收到的MPCP报文，如果主PON口收到MPCP报文并准备更新RTT值校准本地时间时，在规定时差内备用PON口并未收到MPCP报文或者收到的报文携带的1588同步时间戳不一致，则判定对时存在安全威胁，并发出警告，且不采取时间对时调整。
第二步：检测MPCP报文中的RTT值。在第一步检测后，若ONU双口在规定时差内同时收到的MPCP报文，增加的检测机制则对比ONU双PON口报文中的RTT值，正常情况下双PON口链路的延迟时间只有几十纳秒，两个RTT值差值超过规定的门限值(可设置)时，判定对时存在安全威胁，并发出警告，且不采取时间对时调整。
对本发明的检测机制进行仿真：
(1)无检测加入时
①对OLT和ONU的对时搭建模型，在正常的运行状态下测得正常的链路RTT值如图1所示，图中，横坐标是时间轴，纵坐标是时延，在设置门限值为200纳秒的状况下，链路的时延在正常的范围内不产生告警，ONU侧进行时间更新。
②在一路主网存在中间人攻击的状态下，OLT侧链路上显示主网的对时是正常无链路故障的，也就不会被切换到另一路时间***，中间人更改发送MPCP报文至下层ONU的时间和往返延迟RTT值，而造成时钟的对时故障。如图2所示，时延增大至200纳秒以上也不会产生链路故障和告警，且ONU侧进行时间更新，使***出现故障风险。
(2)当加入ONU侧检测机制时
检测ONU侧双PON口是否在规定时差内同时收到MPCP报文，假如已经满足，则检测双PON口各收到的RTT差值是否满足设定的检测门限。如图3所示，双PON口收到的RTT的差值过大，不在正常的门限值(假定设置为100纳秒)之内，则产生告警机制，ONU侧终止时间更新。
结论
通过对比正常状态下的往返延迟时间RTT、中间人攻击状态下的RTT和加入差值检测机制的RTT值，表明本发明的ONU侧检测机制能成功对中间人攻击进行告警，使ONU侧终止时间更新，加强了新型变电站网络时间同步***的健壮性。
上述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于差值检测的变电站自适应网络的时间同步安全方法，所述变电站自适应网络包括：光网络单元ONU、同步光线路终端OLT和EPON协议处理器；其中，每个光网络单元ONU的接口模块有两个接口永远具有相同的状态，变电站网络采用主、备链路的冗余配置方式；每个光网络单元ONU都会跟踪同步光线路终端OLT的时钟源；EPON协议处理器通过内部多点控制协议MPCP与每个光网络单元ONU进行通信，其特征在于，所述时间同步安全方法包括：
步骤1、智能变电站网络的EPON协议处理器将时间戳传递给每一个光网络单元ONU；
步骤2、同步光线路终端OLT比较光网络单元ONU的两个接口是否在规定时差内收到的报文，若否，则判定对时存在安全威胁，并发出警告，且不采取时间对时调整；若是，则执行步骤3；
步骤3、同步光线路终端OLT检测光网络单元ONU的两个接口收到的报文中的往返时延RTT值，若两个往返时延RTT值差值超过规定的门限值时，判定对时存在安全威胁，并发出警告，且不采取时间对时调整；若两个往返时延RTT值差值未超过规定的门限值，则完成光网络单元ONU注册并与光线路终端OLT开始正常通信。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述光网络单元ONU的注册过程包括：
步骤301、光线路终端OLT以一定时间间隔发送注册发现帧广播给每个光网络单元ONU，其目的地址为广播逻辑链路标记LLID，此帧包含发现窗口的开始时间，窗口的大小根据***中距离最远的光网络单元ONU来确定；
步骤302、新光网络单元ONU收到注册发现帧后，根据接收的时钟标签字段调整本地时钟，然后在规定的开窗时间内向光线路终端OLT发送注册请求帧，同时光网络单元ONU收到多点控制协议MPCP报文的延迟测量；
步骤303、光线路终端OLT在一个窗口收到唯一一个注册请求帧后广播发送注册控制帧给该光网络单元ONU，该控制帧中包含为该光网络单元ONU分配的逻辑链路标记LLID及同步时间，同时将逻辑链路标记LLID与光网络单元ONU的MAC地址关联在一起；
步骤304、光线路终端OLT接着给光网络单元ONU发送注册授权帧，以便光线路终端OLT调度光网络单元ONU上行发送的时隙，与此同时多点控制协议MPCP测距完成，计算的往返时延RTT值也将被光网络单元ONU用于时间更新；
步骤305、新光网络单元ONU收到注册授权帧后，将新分配的逻辑链路标记LLID替换原来的逻辑链路标记LLID，同时向光线路终端OLT发送注册确认帧；
步骤306、光线路终端OLT收到注册确认帧后，刷新该光网络单元ONU的逻辑链路标记LLID，完成光网络单元ONU的自动发现过程。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述EPON协议处理器通过内部多点控制协议MPCP报文传递时间戳。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述时间戳为基于IEEE1588协议的时间戳。
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