电力系统纵向加密技术的发展与应用

朱建成

西部安全认证中心有限责任公司，宁夏银川，750001

0 引言

随着信息化技术的高速发展，电力系统在数字化、自动化水平不断提高的同时，也面临着越来越严峻的网络安全威胁。基于此，国家电网制定了《配电自动化系统网络安全防护方案》，提出了“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”十六字方针[1]。

1 电力系统纵向加密技术的概述

1.1 纵向加密技术的定义和分类

纵向加密技术的基本原理是通过加密算法对传输的数据进行加密，并在接收端进行解密验证，确保数据的机密性和完整性。纵向加密技术主要应用于电力系统、通信系统等领域，以保障重要信息的安全传输。纵向认证是电力二次安防体系的纵向防御手段，通过纵向加密认证装置可以对远程数据进行纵向边界的安全防护[2]。

根据加密的位置和时间，可以将纵向加密技术分为以下两类。

（1）端到端（End-to-End）加密：指在数据传输的起点到终点之间对数据进行加密和解密，只有通信双方才能访问和解读数据内容。这种加密方式能够提供最高级别的安全保护，但也会带来一定的传输延迟和计算负担。

（2）路由器加密（Link Encryption）：指在数据传输路径中的路由器或交换机上对数据进行加密和解密，保护数据在传输过程中的机密性和完整性，但路由器和交换机等设备需要加密处理和管理密钥，容易被攻击者攻击，从而影响整个网络的安全性。

此外，还可根据加密算法的不同，将纵向加密技术进一步分为对称加密和非对称加密[3]。

（1）对称加密（Symmetric Encryption）：加密和解密使用同一个密钥，包括DES、3DES、AES等算法。对称加密速度快、安全性高，但密钥传输和管理的安全性较差，容易被攻击者攻击。

（2）非对称加密（Asymmetric Encryption）：加密和解密使用不同的密钥，包括RSA、DSA等算法。非对称加密安全性高，但速度较慢，密钥管理复杂。通常用于数据传输中的身份验证、数字签名等方面。

1.2 纵向加密技术的基本原理

纵向加密技术可以保护数据的机密性，因为即使攻击者能够访问部分数据，也无法获取完整的信息。同时，纵向加密还可以允许授权用户在不降低数据安全性的情况下对特定列或字段进行查询和处理。目前常见的加密算法有DES、3DES、IDES等，国内的电力系统纵向加密技术通常采用RSA和SM2算法[4]，两种算法的差异见表1。

表1 RSA 和SM2 算法

1.3 纵向加密技术的应用场景

纵向加密技术在电力系统中的应用场景包括以下几个方面。

（1）数据传输安全：电力系统中存在大量的数据传输，包括电力负荷数据、电网状态数据、设备运行数据等。这些数据的安全性对电力系统的正常运行至关重要。纵向加密技术可以对这些数据进行加密传输，保障数据的机密性和完整性，防止数据被篡改或泄露[5]。

（2）设备安全管理：电力系统中的各种设备，如变电站、输电线路、发电机组等，都需要进行安全管理。纵向加密技术可以对设备进行身份认证和访问控制，确保只有授权人员才能对设备进行操作和管理，防止非法入侵和攻击。

（3）智能电网安全：智能电网是电力系统的重要发展方向，它涉及大量的信息交互和数据处理。纵向加密技术可以保障智能电网中的数据安全和隐私保护，防止黑客攻击和信息泄露。

（4）电力市场交易安全：电力市场交易是电力系统中的重要环节，涉及大量的交易数据和资金流动。纵向加密技术可以对电力市场交易数据进行加密和认证，确保交易的安全性和可靠性，防止欺诈和非法交易。

2 电力系统纵向加密技术的发展

随着电力系统的普及和信息化程度的不断提高，纵向加密技术的应用越来越广泛[6]。未来，纵向加密技术的发展趋势可能包括以下几个方面。

（1）提高安全性：加强电力系统的数据保护能力，利用更加安全可靠的算法和技术，如同态加密、多方计算等。

（2）增强实时性：为了更好地监控电力系统的运行状态，纵向加密技术需要更加快速和高效的实现方式，例如基于硬件加速的加密技术。

（3）加强与其他技术的融合：将纵向加密技术与大数据分析、人工智能等新兴技术相结合，以实现更高效、更精准的电力系统管理和控制。

（4）普及应用：随着纵向加密技术的逐渐成熟和应用成本的降低，其在电力系统中的应用将会越来越普及。

3 电力系统纵向加密技术的实际应用

3.1 纵向加密技术的工作模式

电力专用纵向加密装置有网关模式、透明模式、借用模式、借用1-N模式4种工作模式。

（1）网关模式：网关模式又分为两种，第一种是引入VLAN网关，将数据经过VLAN通道进行加密和解密，然后转发给目标设备；第二种是引入防火墙网关，该网关会安装在数据流通的边界处，将非法的数据拦截，在网关处进行解密或重定向操作。

（2）透明模式：透明模式实现起来比较简单，其间不需要额外的插件、软件或硬件，其核心是在应用层的TCP/IP协议栈下增加了一个VLAN软件，因此用户方完全无感知，所有的加密操作都被隐藏了。这样可以极大地减少管理员的工作量以及管理复杂度。

（3）借用模式：指将一个特殊的密钥呈现给其他实体，从而实现身份认证和保密控制。借用模式通常分为直接借用和间接借用。直接借用将密钥提供给其他实体使用，这可以通过信道或密钥分发方案来实现。间接借用会建立一个可信的第三方来管理密钥，在需要的时候参与协助完成身份认证和密钥交换等相关操作[7]。

（4）借用1-N模式：基于借用模式的扩展版本。它允许一个会话密钥（session key）被多个实体使用。一旦密钥呈现给了多个实体，它就不能再次被使用，因此，借用1-N模式通常用于短期连接或事务。

3.2 纵向加密技术的部署方案

纵向加密装置的部署方式有部署于通信网关与交换机之间、部署于交换机与路由器之间两种，两种部署方式对比如表2所示。

表2 两种部署方式对比表

3.3 纵向加密技术的应用优势

（1）安全保障

电力系统中的各种设备和用户需要进行身份认证，以确保只有合法的用户和设备才能访问系统。纵向加密技术可以通过数字证书、密码验证等方式进行身份认证，防止非法用户和设备的入侵。电力系统中的各种通信都需要保证安全性，以防止黑客攻击和数据泄露。纵向加密技术可以通过加密通信协议、数字签名等方式保证通信的安全性。电力系统中需要对各种设备和用户进行安全管理，以确保系统的安全性和稳定性。纵向加密技术可以通过访问控制、审计日志等方式进行安全管理，防止非法操作和数据篡改。

（2）数据保护

数据库中存储有用户信息、电力负荷数据等重要信息，如果这些数据泄露，将会给电力系统带来极大的损失。因此，电力系统中的数据库需要采用纵向加密技术进行加密，以保护这些敏感信息的安全性。电力系统中的文件也包含大量的敏感信息，比如电力设备维护记录、电力系统规划等。使用纵向加密技术可以对文件进行加密，确保其机密性和完整性。只有经过授权的用户才能够访问和修改这些文件，从而避免了未经授权的访问和篡改。电力系统中的认证信息，如用户账号和密码等，也必须得到很好的保护。使用纵向加密技术可以对认证信息进行加密，保护用户的隐私和安全[8]。

（3）通信保密

纵向加密技术是网络通信中常用的一种安全加密技术。通过对通信内容进行加密，能够防止未经授权的人员获取通信内容，从而确保通信的机密性；在加密的同时进行数字签名处理，可以确保通信内容的完整性和真实性，以防止信息被篡改；此外，还能够进行认证，确保通信双方的身份和通信的可靠性，防止通信中出现欺骗和伪装。通过对通信内容进行压缩和优化，不仅能提高通信效率，减少通信延迟和带宽占用，而且还能提高通信质量。

4 电力系统纵向加密技术的挑战

4.1 安全性挑战

（1）密钥管理：纵向加密需要在不同层级之间传递密钥，密钥管理的不当可能导致密钥泄露或者被攻击者获取，从而破坏整个系统的安全性。

（2）网络攻击：电力系统的纵向加密需要通过网络传输，若网络存在漏洞或者未经授权的访问，攻击者可以利用这些漏洞窃取数据、篡改数据或者进行拒绝服务攻击。

（3）物理攻击：电力系统的纵向加密设备通常放置在不可信的环境中，如变电站和输电线路等，攻击者可以通过物理攻击方式获取设备信息或者直接破坏设备，从而影响系统的安全性。

（4）合规性要求：电力系统是国家重要的基础设施之一，相关的加密技术必须符合政府法规和标准。若不能满足合规性要求，电力系统的纵向加密技术将无法得到应用。

4.2 可靠性挑战

（1）系统可靠性：电力系统纵向加密技术需要保证整个系统的可靠性，一旦出现故障或者错误，可能导致数据传输失败或者被泄露。

（2）数据完整性：在数据传输过程中，若发生数据篡改或者丢失，将会影响到电力系统的安全性和稳定性。因此，电力系统纵向加密技术需要保证数据的完整性。

（3）可扩展性：随着电力系统不断发展和升级，纵向加密技术也需要不断更新和升级，以满足新的需求和挑战。因此，电力系统纵向加密技术需要具备良好的可扩展性。

（4）设备兼容性：电力系统纵向加密技术需要与各种不同类型的设备进行兼容，否则将无法实现纵向加密的目的。因此，电力系统纵向加密技术需要具有良好的设备兼容性。

5 结语

随着电力系统的不断发展和智能化进程的加速，电力系统纵向加密技术的发展和应用也越来越受到关注。目前，电力系统纵向加密技术已经在国内外得到广泛应用。未来，电力系统纵向加密技术的应用将会更加广泛和深入。电力系统纵向加密技术的发展和应用是电力系统安全和稳定运行的重要保障，也是电力系统智能化进程的必要条件。我们应该加强对纵向认证加密技术的研究和应用，不断提高电力系统的安全性和可靠性，为电力行业的可持续发展做出贡献。