加密技术在远程抄表系统中的研究与应用.doc

刘友旗（贵州大学 计算机科学与信息学院，贵州 贵阳 550025）摘 要 ：现行的远程抄表系统中，数据传输大多是以明文的形式进行，对于有经济价值的数据而言，无疑存在着隐患。由于人工抄表方式存在诸多弊病，远程自动抄表系统的应用日益普及，数据传输的安全性则变得尤为重要。主要就远程电力抄表通信 协议的加密方法进行了讨论，采用 DES 算法对传输内容中的有效数据进行加密，从而提高系统数据传输的安全性。关键词 ：加密 ；远程抄表 ；通信协议 ；DES 算法 ；安全性The Research and Application of Encryption Technology inRemote Meter Reading SystemLIU You-qi(Dept of Computer Science and Information Engineering, Guizhou University, Guiyang Guizhou 550025,China)Abstract: The data transmission of existing remote meter reading systems is most clear in the form of plaintexts, for the data in terms of economic value, no doubt there are hidden dangers. As there are many shortcomings in the manual meter reading methods, the application of the remote automatic meter reading system is becoming increasingly popular, therefore, the security of data transmission is becoming particularly important. In this paper, the communication protocol encryption method on remote meter reading is discussed, using DES algorithm, the content of the valid data transmission is encrypted, thereby enhancing the system of data transmission security.Key words: encryption; remote meter reading; communication protocols; DES algorithm; Security密密钥中推导出来，解密密钥也可以从加密密钥中推导出来。对称算法的安全性主要依赖于密钥，它要求发送方和 接收方在安全通信之前先商定一个密钥，因此，密钥的保 密性对通信至关重要。对称加密算法采用较多的是分组加 密方法，它将明文分成固定长度的组，用同一密钥分别对 每一组加密，输出固定长度的密文。非对称加密算法的加密密钥和解密密钥不同，一个是 公共的，一个密钥用于加密，另一个是私的，用于解密， 但是两者不能相互推导，因此，非对称加密算法又称公共 密钥算法。相对而言，两者各有优缺点，非对称加密算法的抗攻 击能力较强 , 安全性较高 , 但是缺点是算法大多较为复杂， 加解密的速度慢 ；而对称加密算法的加解密速度比较快， 安全性也不弱，如增强型的 D E S 算法，几乎可应对目前 所有的攻击，对于本文中的远程抄表系统这种非机密的数 据信息的传输而言，完全可以满足其对安全性的要求。1 引言在目前实际使用的远程抄表系统和早期所有的远程 监测系统中，核心芯片大多采用 8 位或者 16 位的单片机， 其计算能力十分有限，因此，这些系统中使用的通信协议 往往比较简单，且大多用明文或者简单加密的方式来传输 数据，主要考虑的是数据的完整性和可靠性，而数据的安 全性普遍被忽视。随着远程测控单元在各种计量系统中大 量使用，比如远程电力抄表系统的应用，各种人工测量和 人工抄读的方式逐渐退出舞台，同时，数据的经济价值也 越来越高， 数据的安全性受到了普遍的重视，因此，这就 要求采用合适的加密和解密方法来保护数据。另一方面， 系统核心芯片的升级换代，使得其计算能力和速度有了较 大的提高，从而在硬件上可以实现较为复杂的算法，且不 会影响系统的工作效率。2 常用加密算法加密算法主要用来对重要的数据信息进行加密，按照 密钥方式划分，计算机的数据加密算法可以分为对称加密 和非对称加密两类。对称加密算法又可以称为传统密码算法，在大多数的 对称算法中，加密密钥和解密密钥是相同的，因此也可以3 DES 算法在远程电力抄表系统中的应用远程电力抄表系统主要由主站、集中器、采集器、485 电表等部分组成，每个采集器下最多设 32 块电表， 采集器通过 485 总线采集电能表的数据 ；集中器位于台变 处，管理该台变下的所有的电表和采集器，集中器通过电讯的方式，可以抄读采集器和集中器的数据 ；主站通过公共电话网和 USB 口分别读取集中器和手抄器中的数据， 集中器、主站中都会对以往一定时段的数据进行保存。其 结构如图 1 所示。在进行加密处理时，为方便通信处理，对于地址域部分加密，仅对帧起始符 2 和结束符之间的数据进行加密处 理。由于其长度不固定，需对待加密的数据中不足 64 位 的分组部分进行随机地填充，形成若干个 8 字节的数据块， 然后，再以 8 字节分组明文序列作为 DES 加密算法的输入， 经过 16 伦加密后，得到一串 8 字节的密文序列。要计算这一序列的长度 ( 字节数 ) 也很简单，只需将数据域长 度 ( i ) 加 3 后除 8，得到的商 ( j ) 和余数 ( k ) ；如果能整除 ( k =0)，则密文长度就是 i +3，如果不能整除 ( k =0)，则 密文长度就是 8 ( j +1)。在发送帧数据前，先发送 4 字节 的 16 进制数 F E H，然后是帧起始符 1、地址域、帧起始 符 2，密文长度 (1 字节 )，密文，结束符。在接收端，通 过地址域来判断是否处理其后的数据，解密是加密的逆过 程，故不作赘述。4 结语本文在对现行的加密算法进行分析的基础之上，结合 远程电力抄表协议和数据传输的特点，考虑到具体实现的 加解密的效率，采用加解密过程并不非常复杂的 D E S 加 密算法，从而在不影响传输效率的同时提高数据的安全性， 该方法同样可用于其他远程抄表系统。随着远程抄表技术 快速发展，对于数据通信安全要求也在不断的提高，因此， 采取适当的加密方式，可以在保证数据传输和处理速度的 同时，有效地提高远程抄表系统的加密强度，从而提高系 统整体的安全水平。图 1 远程电力抄表系统结构如图 1 所示的远程电力抄表系统在开发过程中遵循了 国家现行的电力行业标准，其通信协议与国家发展与改革 委员会发布的中国电力行业标准 D L / T645-2007多功 能电能表通讯协议兼容，该协议规定了多功能电表与手 持单元（H H U）或其他数据终端设备进行点对点的或一 主多从的数据交换方式，规定了它们之间的物理连接、通 信链路及应用技术规范，但是，该标准并未涉及数据通 信的加密问题。因此，可以考虑采用一种对称加密算法 DES，在该协议的数据链路层进行加密。作为世界范围内的公开加密标准，已经使用 20 多 年的 D E S 算法是美国国家标准局颁布的数据加密算法。 D E S 以 64 位为分组对数据加密，64 位的分组明文序列作 为加密算法的输入，经过 16 轮加密得到 64 位的密文序列( 实际只用到 56 位 ) 。由于计算机运算速度的提高，已 有人用穷举搜索法等一些方法对其进行攻击。为提高数据 安全性能，抵抗目前可能的攻击，对于特殊机密数据的加 密，可以采用三重 D E S 方法解决密钥较短问题，即使用 两个 56 位密钥对交换的信息进行三次加密 , 使其有效密 钥长度扩展达到 128 位。DES 算法的基本流程如图 2 所示。参考文献：1 陈 爱 民 , 于 有 康 , 管 海 明 . 计算机的安全和保密 M. 北京 : 电子工业出版社 ,1992.2 D L / T645-2007. 中国电力行业标准 . 多功能电能表通信 协议 S,2007.3 张伟 . 基于 A R M 的数据加密算法实现 D. 南京 : 南京 理工大学 ,2006.4 范 九 伦 , 张 雪 锋 . 密码学基础 M. 西 安 : 西安电子科 技大学出版社 ,2008.作者简介 : 刘友旗 (1984 ) , 男 , 硕士研究生 , 主要研究 领域 ：计算机控制与嵌入式系统。收稿日期 ：2010-05-07图 2 DES 算法基本流程在主站与集中器、手抄器，采集器与集中器、手抄器， 以及采集器与电表，手抄器与电表的通信过程中，帧是传 送信息的基本单元，依次由帧起始符 1、地址域、帧起始符 2、控制码、数据域长度、数据域、校验码和结束符等 构成。其中，数据域中存放的是传送的数据，其长度不是 固定的，在 D L / T645-2007 协议中规定，数据域的长度file:/D|/我的资料/Desktop/新建文本文档.txtAppliance Error (configuration_err