一種面向無線智能電表的安全路由方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高級測量體系安全領(lǐng)域，具體的說是一種面向無線智能電表的安全路 由方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 智能電表是智能電網(wǎng)的智能終端，它已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的電能表。智能電表除 了具有傳統(tǒng)電表基本用電量的計量功能以外，為了適應(yīng)智能電網(wǎng)和新能源的使用，它還具 有雙向多種費率計量、用電設(shè)備遠程控制、多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信等智能化功 能，將與現(xiàn)代傳感測量技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)更加緊密結(jié)合，朝著數(shù)字化、 信息化、自動化、互動化的方向發(fā)展。目前，由于成本低、通信便利以及組網(wǎng)靈活等原因， 以ZigBee、WIA-PA為典型代表的無線智能電表得到了學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛重視，已經(jīng)在 無線智能電表的功能設(shè)計、通信技術(shù)以及組網(wǎng)方式等方面取得了一定的研究成果。然而隨 著信息技術(shù)在無線智能電表的成功應(yīng)用，無線智能電表的網(wǎng)絡(luò)安全問題也逐漸成為關(guān)注熱 點，是無線智能電表面向大規(guī)模應(yīng)用亟需解決的問題，也是智能電網(wǎng)理論與技術(shù)研究的重 要內(nèi)容之一。
[0003] 實際上，無線智能電表網(wǎng)絡(luò)可以被看作為一個用于電量、狀態(tài)信息收集與交互的 特殊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，就其網(wǎng)絡(luò)自身而言，它工作在相對開放、合作和任意的環(huán)境中，具有 電表節(jié)點間鏈接脆弱、拓撲結(jié)構(gòu)變化、缺少集中監(jiān)控或管理等特性，而路由作為無線智能電 表網(wǎng)絡(luò)最關(guān)鍵的組成部分，負責為電量、狀態(tài)以及控制命令等信息從源節(jié)點傳輸?shù)侥繕斯?jié) 點尋找合適的傳輸路徑，它的準確性是保障網(wǎng)絡(luò)正常工作的基本條件。因此，路由的安全性 和健壯性直接影響無線智能電表網(wǎng)絡(luò)的安全性和可用性，設(shè)計安全可擴展的路由方法具有 重大的意義，將成為無線智能電表安全技術(shù)研究中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。
[0004] 針對無線智能電表網(wǎng)絡(luò)所面臨的信息安全問題，各國的研究機構(gòu)和學者已經(jīng)廣泛 開展了相關(guān)研究工作。在基于模型的異常檢測方法中，提出需要能夠遠程證明高級測量體 系A(chǔ)MI (Advanced Metering Infrastructure)模塊，能夠檢測到對硬件的破壞，阻止電表被 操作，可根據(jù)已知攻擊模式確定攻擊行為；在數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾[私保護方面，提出使用對稱加密 和非對稱加密等方式保護信息的機密性；在安全路由方面，提出了多用戶居住環(huán)境下的安 全智能電表架構(gòu)，說明了安全的路由協(xié)議是該架構(gòu)重要的組成之一，并在源路由的基礎(chǔ)上 增加了安全機制；考慮到無線通信中的多跳情況，在無線AMI網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的多路徑路由協(xié) 議增加有效、健壯的安全機制，從而抵御中間人、黑洞等攻擊。針對路由信息的可信情況，設(shè) 計了新的可信地理路由協(xié)議，使用動態(tài)門限的可信因素產(chǎn)生可信轉(zhuǎn)發(fā)表，通過使用距離因 數(shù)作為路由度量從而決定下一跳信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種面向無線智能電表網(wǎng)絡(luò)的安全路由方法，為 電量收集、狀態(tài)監(jiān)測、控制交互等數(shù)據(jù)傳輸提出安全可擴展的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，保障高級測量體 系中無線智能電表網(wǎng)絡(luò)的安全性。
[0006] 本發(fā)明的進一步目的是提供一種面向無線智能電表網(wǎng)絡(luò)的安全路由方法，針對網(wǎng) 絡(luò)中的每一塊無線智能電表，定義全球唯一的身份標識，代表其真實的身份信息，在此基礎(chǔ) 上，一方面采用基于身份標識的加密、簽名和認證機制保障無線智能電表數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密 性、完整性和真實性；另一方面提出控制邏輯與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離的無線智能電表安全路由架 構(gòu)保證路由的安全性和可擴展性，同時提供多條備選路徑，設(shè)置路徑優(yōu)先級，增強路由的健 壯性。
[0007] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種面向無線智能電表的安全路由 方法，包括以下步驟：
[0008] 設(shè)置每個無線智能電表的身份標識為全球唯一標識，代表接入網(wǎng)絡(luò)中的真實身份 信息；
[0009] 將無線智能電表的身份標識作為公鑰，實現(xiàn)基于身份標識的加密、簽名、認證機 制；
[0010] 將無線智能電表網(wǎng)絡(luò)劃分為多個控制域，每一個控制域內(nèi)部署一臺控制器，每個 控制器擁有全球唯一的身份標識代表其身份信息，并且每個控制器擁有其所在控制域內(nèi)所 有無線智能電表組成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，控制器之間通過消息的發(fā)布-訂閱模式同步全網(wǎng)絡(luò) 視圖，控制器負責計算每個無線智能電表到數(shù)據(jù)集中器的最佳路由路徑，并通知給路徑中 的每一個智能電表。
[0011] 所述無線智能電表的身份標識包括兩部分：用戶的戶號和智能電表的表號，其中 用戶的戶號指電力營銷系統(tǒng)為使用智能電表用戶分配的唯一標識號，智能電表的表號是一 種內(nèi)部標識號，記錄在智能電表的存儲器中。
[0012] 所述無線智能電表的身份標識采用一串字符、一串數(shù)字或字符數(shù)字結(jié)合的形式表 /_J、1 〇
[0013] 所述基于身份標識的加密機制包括以下步驟：
[0014] 生成系統(tǒng)參數(shù)：包括整個系統(tǒng)的主密鑰和公共參數(shù)兩部分；
[0015] 生成無線智能電表私鑰：根據(jù)主密鑰、公共參數(shù)和無線智能電表的身份標識，通過 私鑰產(chǎn)生器生成與每個智能電表身份信息對應(yīng)的私鑰；
[0016] 數(shù)據(jù)加密：通過使用通信對端的身份標識、公共參數(shù)，發(fā)送端無線智能電表將傳輸 的明文信息加密成密文；
[0017] 數(shù)據(jù)解密：接收端無線智能電表收到密文后，利用自己的私鑰、公共參數(shù)，將密文 還原為發(fā)送的原始明文數(shù)據(jù)。
[0018] 所述基于身份標識的數(shù)字簽名機制包括以下步驟：
[0019] 生成系統(tǒng)參數(shù)：包括整個系統(tǒng)的主密鑰和公共參數(shù)兩部分；
[0020] 生成無線智能電表私鑰：根據(jù)主密鑰、公共參數(shù)和無線智能電表的身份標識，通過 私鑰產(chǎn)生器生成與每個智能電表身份信息對應(yīng)的私鑰；
[0021] 數(shù)字簽名：無線智能電表使用自己的私鑰、公共參數(shù)，對傳輸?shù)拿魑男畔⑦M行簽 名，生成簽名；
[0022] 簽名驗證：使用發(fā)送端無線智能電表的身份標識、公共參數(shù)，對簽名進行驗證。
[0023] 所述基于身份標識的認證機制包括以下步驟：
[0024] 當無線智能電表SM1與無線智能電表SM2進行相互認證時，無線智能電表SM1首 先向智能電表SM2發(fā)送認證請求，請求數(shù)據(jù)包中包括當前時間戳，無線智能電表SM1的身份 標識，以及用自己的私鑰對時間戳和身份標識的數(shù)字簽名；
[0025] 當無線智能電表SM2收到認證請求后，驗證當前時間戳的正確性和數(shù)字簽名的正 確性，然后向無線智能電表SM1發(fā)送認證應(yīng)答，應(yīng)答數(shù)據(jù)包中包括當前時間戳，無線智能電 表SM2的身份標識，以及用自己的私鑰對時間戳和身份標識的數(shù)字簽名；
[0026] 當無線智能電表SM1收到認證應(yīng)答后，驗證當前時間戳的正確性和數(shù)字簽名的正 確性，從而完成無線智能電表SM1和無線智能電表SM2的雙向認證。
[0027] 所述每個控制域中的無線智能電表和控制器使用基于身份標識加密、簽名、認證 機制完成兩者的相互認證以及安全的信息傳輸。
[0028] 所述每個控制域中控制器根據(jù)距離和鏈路質(zhì)量相結(jié)合的路由方法計算出控制域 中無線智能電表到數(shù)據(jù)集中器的最佳路徑。
[0029] 所述的邏輯控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離的安全路由架構(gòu)，每個控制域中控制器為每個無 線智能電表提供一條到多條備用路徑，從而在鏈路失效時立即轉(zhuǎn)用備用路徑，每條備用路 徑都根據(jù)其路由代價值被設(shè)置不同的優(yōu)先級，路由代價值越高優(yōu)先級越低。
[0030] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：
[0031] 1.經(jīng)由上述技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開提供了一種面向無線智 能電表的安全路由方法，該方法為每一個無線智能電表定義全球唯一的身份標識，代表其 接入網(wǎng)絡(luò)中的真實身份信息，防止虛假惡意的無線智能電表接入網(wǎng)絡(luò)。
[0032] 2.該方法采用基于身份標識的加密、簽名、認證機制，不僅實現(xiàn)了無線智能電表之 間的雙向認證，同時還保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性和不可否認性，防止傳輸信息被偷聽和篡 改。
[0033] 3.該方法為電量收集、狀態(tài)監(jiān)測、控制交互等數(shù)據(jù)傳輸提出安全可擴展的路由方 法，通過控制器計算