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)非常混雜，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)男薷摹Ｔ谂潆娋W(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(tīng)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(kāi)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,?；谶@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(kāi)始進(jìn)行時(shí),，第2組數(shù)據(jù)開(kāi)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(xiě)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）