本发明专利技术属于智能变电站通信安全技术领域，提供了一种基于改进型GCM的智能变电站报文安全传输实现方法。包括报文收发模块、串并转换模块、incr计数器模块、基于混沌的CTR-AES加密模块、位并行GHASH认证模块和XOR异或模块。与现有技术相比，本发明专利技术系统考虑多种报文协议的通信要求，设计满足通用性的报文格式，同时对采用的通信安全模式进行优化，提出采用混沌密钥发生器的来同步给AES加密系统提供密钥，设计位并行GHASH认证系统，结合流水线式AES加密系统结构，可以实现高速率、低复杂度、低消耗的硬件实现系统。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于智能变电站通信安全
，涉及基于改进型GCM的智能变电站报 文安全传输实现方法。
技术介绍
目前，随着网络信息技术的快速发展，智能变电站对网络通信安全传输要求越来 越高。由于现有的智能变电站安全传输方式存在一定的局限性，实现高速率、高可靠性、低 消耗的安全传输方式受到了广泛关注。 基于以太网的变电站综合解决方案，在实现变电站信息共享的同时，也带来了诸 多安全隐患。智能变电站中的所有智能电子设备（IED)采用对等方式相连，通信信息均在 网络上实现共享，一旦某个IH)受到恶意攻击，在变电站信息未进行有效安全保护时，可能 会对整个智能变电站自动化系统的安全运行带来严重的后果，因此，如何有效保障智能变 电站系统信息安全传输是一项亟待解决的任务。IEC 61850、IEC 62351和IEEE 802. IAE 标准，分别设置了不同格式的报文并提出了不同的安全方案，若采用一种报文对应一种认 证和加密算法的方式又会增加网络负担、影响互操作性。同时针对目前已有研究方案中的 诸多局限，有些方案只有简单加密，有些方案是只有单一认证，有些方案是加密与认证的简 单结合，并不能保证高效的安全性，而且对于分组对称加密普遍存在的密钥管理与分配问 题没有很好的给予解决，针对以上局限，本专利技术设计了一种改进型的GCM(伽罗华/计数 器）模式，此系统是一种高效、安全、无专利限制的认证加密算法，针对不同报文的传输要 求提供了 3种传输方式，此算法可以对智能变电站通信网络传输的报文进行加解密处理以 及完整性校验处理。本专利技术采用GCM -种算法来实现变电站不同报文的安全传输，只需运 算一次报文就可实现其中一种模式，既能满足报文的实时性要求，又可方便管理、提高互操 作性，实现智能变电站报文的安全传输。 GCM加密算法定义如下： GCM解密算法定义如下： Η = Ε(Κ，0128) GHASHO 函数定义为 GHASH(H，A，C) = X"+n+1，X1, i = 0,1，·m+n+1 表达式如下 所示： 其中K为加密密钥，IV为初始化向量，P为明文，A为附加认证数据，C为密文，T为 认证标签。将P和A按128位分组，分别记为：P1, P2,…，Pn ^ Pn*和A1, A2,…，Ani p Ani*, 其中Pn*和Ani*的长度分别为u和V位（I < u，V < 128)，其它分组长度皆为128位。I I表 示数据串的连接，IenO是指用一个64位的数据串来表示其长度，E (K，Y)表示用密钥K对 数据Y进行AES加密，函数incr (Y)表示对数据Y的低32位进行计数器递加1运算。 经过对现有技术文献的检索发现，也有一些针对GCM加密认证技术的研究，例 如中国专利技术专利申请号为201010168517. 3,公开号为CN101827107A，名称为"一种基于 IEEE802. IAE协议的GCM高速加解密器"的专利，给出了一种基于IEEE802. IAE协议的GCM 加密认证系统，通过对GHASH函数的数据处理结合全流水线式AES模块以及相应外围信息 处理模块构成一个具备可以同时处理多组数据功能的硬件系统。 上述技术虽然采用了硬件方式实现GCM加密认证，但由于实现方法没有考虑分组 密码的密钥管理问题同时此设计采用全流水线占用资源较大，同时此专利是IEEE802. IAE 协议下的研究方案，不具有一定的通用性，随着信息技术的提高，并不能很好的提供高速、 低能耗和安全性的硬件资源保护。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是分析报文格式，设计GCM硬件架构框图，提出解决密 钥管理并提高安全性和吞吐率的解决方案，实现智能变电站的高效率通信。本专利技术的是提 供一种基于改进型GCM的智能变电站报文安全传输实现方法。 本专利技术的技术方案是： -种基于改进型GCM的智能变电站报文安全传输实现方法，包括报文收发模块、 串并转换模块、incr计数器模块、基于混沌的CTR-AES加密模块、位并行GHASH认证模块 和XOR异或模块；报文收发模块包括报文接收模块和报文发送模块，其与S/P串并转换模 块相连，用于实现报文接收与数据处理，提取出GCM加密认证需要的数据输入并通过串并 转换模块实现并行运算；串并转换模块分别与基于混沌的CTR-AES加密模块中的密钥发生 器、incr计数器模块、位并行GHASH认证模块和XOR异或模块相连，分别为串并转换模块提 供密钥K、初始化向量IV和附加认证数据A1;incr计数器模块与基于混沌的CTR-AES加密 模块中的AES模块连接，为其提供输入明文Y1，基于混沌的CTR-AES加密模块的输出结果 E (K，Y1)与串并转换模块输出的P1进行异或并把输出数据C i传给P/S串并转换模块，位并 行GHASH认证模块输出结果与基于混沌的CTR-AES加密模块的输出结果E (K，Y。）异或并把 输出的认证标签T传给P/S串并转换模块，最后经过报文收发模块，完成报文的加密与认证 并将认证标签插入到报文中，对报文进行封装后并根据IEC 61850标准完成带认证标签的 报文传输； 所述的基于混沌的CTR-AES加密模块采用流水线结构，包括1个顶层模块、1个混 沌密钥发生器模块、4个子模块和1个状态机控制模块；所述的CTR-AES对称计数器加密模 块采用10级轮流水线形式，在10个时钟周期后产生密文，并且在以后的每一时钟周期都会 产生密文，其中混纯结构采用M序列扰动的logistic序列； 所述的位并行GHASH认证模块变换形式如下：在位并行GHASH认证模块中，密文C、附加认证数据A和操作数H作为输入，即把C与A作为 统一输入 X，A" A2、· · · A"、C" C2、· · · Cn、Ien (A) I I Ien (C)分别 对应 X1... X_+1，GHASH 系统可以表示为 GHASH(X，Η) 上述Hq参数采用2的倍数次； 步骤如下： 步骤一：报文接收模块接收发布者预发送的报文，对报文进行判断，IEC62351标 准规定保留字段的部分定义，利用第一个保留字段定义扩展字段的Length，若Length等 于0则说明此报文为不需要安全保护的报文，即符合IEC61850标准的普通报文；反之若 Length不等于0,则说明此报文为需要安全保护的报文，即表示为需要安全措施保护的报 文；若为普通报文，则选择直接明文传送；再通过区分帧格式及优先级，当为需要安全措施 保护的G00SE/SAV报文时，选择GCM中的GMC模式，即启动GHASH开始信号GHASH_sig_ start ;当为需要安全措施保护的MMS报文时，则选择GCM加密认证模式，即启动AES开始信 号 AES_sig_start ; 步骤二：接收报文进行判断后，对报文提取出GCM系统模块需要的输入，包括明文 P、附加认证数据A和初始化向量IV，并把明文P和附加认证数据A存储到深度为128位的 fifo存储器中，通过串并转换模块进行串并转换，最后一组若不满128位则用Mask掩码在 后面用0补齐，以每128位为一组进行运算； 步骤三：当步骤一中判断的是需要安全保护的报文，初始化向量IV补0为128位 数据和128位0作为输入，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于改进型GCM的智能变电站报文安全传输实现方法，其特征在于，该智能变电站报文安全传输实现方法包括报文收发模块、串并转换模块、incr计数器模块、基于混沌的CTR‑AES加密模块、位并行GHASH认证模块和XOR异或模块；报文收发模块包括报文接收模块和报文发送模块，其与S/P串并转换模块相连，用于实现报文接收与数据处理，提取出GCM加密认证需要的数据输入并通过串并转换模块实现并行运算；串并转换模块分别与基于混沌的CTR‑AES加密模块中的密钥发生器、incr计数器模块、位并行GHASH认证模块和XOR异或模块相连，分别为串并转换模块提供密钥K、初始化向量IV和附加认证数据Ai；incr计数器模块与基于混沌的CTR‑AES加密模块中的AES模块连接，为其提供输入明文Yi，基于混沌的CTR‑AES加密模块的输出结果E(K，Yi)与串并转换模块输出的Pi进行异或并把输出数据Ci传给P/S串并转换模块，位并行GHASH认证模块输出结果与基于混沌的CTR‑AES加密模块的输出结果E(K，Y0)异或并把输出的认证标签T传给P/S串并转换模块，最后经过报文收发模块，完成报文的加密与认证并将认证标签插入到报文中，对报文进行封装后并根据IEC 61850标准完成带认证标签的报文传输；所述的基于混沌的CTR‑AES加密模块采用流水线结构，包括1个顶层模块、1个混沌密钥发生器模块、4个子模块和1个状态机控制模块；所述的CTR‑AES对称计数器加密模块采用10级轮流水线形式，在10个时钟周期后产生密文，并且在以后的每一时钟周期都会产生密文，其中混沌结构采用M序列扰动的logistic序列；所述的位并行GHASH认证模块变换形式如下：Xm+n+1=A1·Hm+n+1⊕...⊕Am·Hn+2⊕C1·Hn+1⊕...⊕Cn·H2⊕len(A)||len(C)·H]]>在位并行GHASH认证模块中，密文C、附加认证数据A和操作数H作为输入，即把C与A作为统一输入X，A1、A2、...Am、C1、C2、...Cn、len(A)||len(C)分别对应X1...Xm+n+1，GHASH系统可以表示为GHASH(X，H)⊕]]>其中Qq=(((X1·Hq⊕Xq+1)·Hq⊕X2q+1)·Hq⊕...)·HqQq-1=(((X2·Hq⊕Xq+2)·Hq⊕X2q+2)·Hq⊕...)·Hq-1···Q1=(((Xq·Hq⊕X2q)·Hq⊕X3q)·Hq⊕...)·H]]>上述Hq参数采用2的倍数次；步骤如下：步骤一：报文接收模块接收发布者预发送的报文，对报文进行判断，IEC62351标准规定保留字段的部分定义，利用第一个保留字段定义扩展字段的Length，若Length等于0则说明此报文为不需要安全保护的报文，即符合IEC61850标准的普通报文；反之若Length不等于0，则说明此报文为需要安全保护的报文，即表示为需要安全措施保护的报文；若为普通报文，则选择直接明文传送；再通过区分帧格式及优先级，当为需要安全措施保护的GOOSE/SAV报文时，选择GCM中的GMAC模式，即启动GHASH开始信号GHASH_sig_start；当为需要安全措施保护的MMS报文时，则选择GCM加密认证模式，即启动AES开始信号AES_sig_start；步骤二：接收报文进行判断后，对报文提取出GCM系统模块需要的输入，包括明文P、附加认证数据A和初始化向量IV，并把明文P和附加认证数据A存储到深度为128位的fifo存储器中，通过串并转换模块进行串并转换，最后一组若不满128位则用Mask掩码在后面用0补齐，以每128位为一组进行运算；步骤三：当步骤一中判断的是需要安全保护的报文，初始化向量IV补0为128位数据和128位0作为输入，启动混沌密钥发生器模块，迭代100次数后与CTR‑AES对称计数器加密模块中的轮密钥加模块进行异或，经过10级流...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王宁，叶新，王媛媛，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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