基于iec62351的goose报文的安全交互方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供一种基于IEC62351的GOOSE报文的安全交互方法，包括如下步骤：服务端准备一套带有私钥的数字证书，同时将证书分发给GOOSE报文的客户端，由客户端将证书与服务端的网卡MAC地址进行关联，接着对报文的签名和验证。本发明方法基于IEC62351标准，对GOOSE报文CRC计算、报文摘要计算以及对摘要进行签名的安全处理，目的在于解决IEC61850标准的变电站自动化系统在基于IEC62351标准的安全通信加固问题。
【专利说明】基于IEC62351的GOOSE报文的安全交互方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及电力信息安全领域，具体来说涉及一种基于IEC62351的智能变电站中智能电子设备的GOOSE报文的安全交互方法。
【背景技术】
[0002]IEC61850提出了变电站的一组公共通信标准，通过对设备的一系列规范化，使得IED (智能电子设备)能够在统一规范下进行无缝连接，为了推进国内变电站的发展需要，国内提出了基于IEC61850的DL/T860标准。
[0003]IEC61850的特点是I)面向对象建模；2)抽象通信服务接口 ； 3)面向实时的服务；4)配置语言；5)整个电力系统统一建模。
[0004]IEC61850标准将变电站通信体系分为变电站层、间隔层、过程层。IEC61850的网络通信上层统一采用抽象通信服务接口，对具体的网络，通过将底层实现接口映射到抽象通信接口来对接。在变电站层与间隔层之间将抽象通信服务接口映射到制造报文规范(MMS)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)以太网或光纤网。在间隔层与过程层之间的网络采用广播式的以太网传输。
[0005]国家电网公司在^一五”规划中明确提出研究和推广以IEC61850和电子式PT/CT为基础的数字化变电站。IEC61850提出了变电站过程层、间隔层、站控层三层之间所有设备直接接入以太网。由此可见网络在变电站中已成为最重要的通信方式。
[0006]但是，由于IEC61850标准提出时，只注重IED之间的共享通信，而对通信过程中的安全并未重视，导致变电站一旦被入侵，而变电站内部又没有任何防护措施，后果将很难想象。`
[0007]2005年4月，国际标准化组织IEC制定了 IEC62351数据和通信安全标准(草案)，以解决电力通讯领域的数据和通讯安全问题。在IEC62351中，认证和加密是核心内容。由于GOOSE报文的时间要求极高，针对GOOSE报文进行加密，在时间上不能满足要求，而对GOOSE报文进行认证能够满足要求。
[0008]本专利提出基于IEC62351的GOOSE报文的安全交互方法。通过对GOOSE报文保留字段进行利用，保存计算GOOSE报文部分的CRC值，以及对GOOSE报文进行扩展，用于存放GOOSE报文的摘要及对摘要的签名，从而对GOOSE报文进行安全处理，防止GOOSE报文被篡改，以及确认GOOSE报文来源，从而防止GOOSE报文的欺骗攻击。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种基于IEC62351的GOOSE报文的安全交互方法，本方法针对智能变电站中智能电子设备使用GOOSE报文通信时，在基于IEC62351标准的基础上，对GOOSE报文进行CRC校验和数字签名处理后，再进行交互，以达到在GOOSE报文交互过程中，能够确认GOOSE报文的发送者的目的。
[0010]本发明的目的可通过以下的技术措施来实现:[0011]—种基于IEC62351的GOOSE报文的安全交互方法,首先,服务端(发送方)准备一套带有私钥的数字证书，同时将证书(不含私钥)分发给GOOSE报文的客户端(接收方)，由客户端将证书与服务端的网卡MAC地址进行关联，接着对报文的签名和验证过程如下:
[0012]I)签名流程
[0013]1.1)对应用生成的GOOSE报文G进行解析，得到各个字段的值；签名与验证操作需要的字段包括GOOSE报文中的标志协议标识域TPID、标志控制信息域TC1、以太网报文类型域EtherType、应用标识域APPID、应用协议数据单元APDU，以及为未来标准化应用保留的保留字段I (Reservedl)、保留字段2 (Reserved〗)。
[0014]1.2)取得待计算CRC校验值的四个字段TPID、TC1、EtherType、APPID的值，并将其拼接成一个字符数组；
[0015]1.3)计算该字节数组的CRC校验值；所述计算CRC校验值的方法是采用循环冗余校验(Cyclic redundancy check,通称 “CRC”)。
[0016]1.4)将计算出的CRC值填入GOOSE报文的Reserved2字段；
[0017]1.5)读取并解析服务端的私钥P。
[0018]1.6)取得待计算RSA签名的三个字段APDU、Reserved、Private的值，并将其拼接成一个字符数组；其中，Reserved字段作为保留位用于后续扩展，Private字段作为GOOSE报文服务端和客户端传递非标准内容，该非标准内容的格式，由服务端和客户端提前自行约定。
[0019]1.7)使用散列算法MD5Hash (即哈希函数Hash Function)计算该字节数组的摘要值S”；·
[0020]1.8)使用服务端私钥对摘要值进行签名，获得签名值S ；
[0021]1.9)将RSA签名添加到GOOSE报文的末尾；
[0022]1.10)计算新的GOOSE报文扩展部分的长度；
[0023]1.11)将扩展部分的长度填入Reservedl字段的第一个字节中。
[0024]2)验证流程
[0025]2.1)根据接收到的网络报文的源MAC地址，查找对应的服务端证书X ;
[0026]2.2)对应用生成的GOOSE报文G进行解析，得到各个字段的值；
[0027]2.3)判定Reservedl字段的第一个字节是否大于O ;如果不大于O则该GOOSE报文未经过签名，验证结束；
[0028]2.4)取得待计算CRC校验值的四个字段TPID、TC1、EtherType、APPID的值，并将其拼接成一个字符数组；
[0029]2.5)计算该字节数组的CRC校验值；
[0030]2.6)将计算出的CRC校验值与GOOSE报文中的Reserved2字段值进行比较；若不相等则验证失败，记录日志，丢弃该报文；
[0031]2.7)取得待计算RSA签名的三个字段APDU、Reserved、Private的值，并将其拼接成一个字符数组；
[0032]2.8)使用散列算法MD5Hash计算该字节数组的摘要值S” ；
[0033]2.9)使用服务端证书对报文中的签名值进行解密，得到服务端计算的摘要值S ；
[0034]2.10)比较两个摘要值S”与S ;若不相等则验证失败，记录日志，丢弃该报文；若相等，贝1J验证成功。
[0035]本发明对比现有技术，有如下优点:
[0036]本发明基于IEC62351的GOOSE报文的安全交互方法，通过对基于IEC61850的GOOSE报文，对保留字段进行利用，并扩展GOOSE报文结构，通过对GOOSE报文头部分进行CRC计算、对GOOSE报文体进行SHA-256摘要计算，最终在扩展部分对摘要进行签名，保护GOOSE报文的完整性，以及确定GOOSE报文的源。能够达到确定GOOSE报文的源的目的，以防止在变电站被人攻击时，任何人都可以发送GOOSE报文来操作智能电子设备，特别是影响智能变电内部重要的高压变压设备。
[0037]本发明方法基于IEC62351标准，对GOOSE报文CRC计算、报文摘要计算以及对摘要进行签名的安全处理，目的在于解决IEC61850标准的变电站自动化系统在基于IEC62351标准的安全通信加固问题。由于基于IEC61850标准的GOOSE报文只涉及数据的交互，变电内GOOSE报文交互没有任何安全的防护，一旦变电站的防护出现意外，变电站内部的GOOSE报文将会被随意发送。而基于IEC62351标准提出以来，智能电子设备在GOOSE报文交互时，需要对报文的源头和数据本身进行验证，从而能够确保在一定时间内，即使变电站外部防护存在安全问题，验证过程也能够保证GOOSE交互过程的安全，以延缓攻击者的速度，为变电站安全争取宝贵时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是本发明参考体系结构示意图；
[0039]图2是GOOSE的报文结构示意图，(a)为IEC61850标准的结构，(b)为基于IEC62351标准的结构；
[0040]图3是本发明方法流程不意图。
【具体实施方式】
[0041]图1是本发明参考体系结构示意图，示出了本发明所包含的组件，给出了基于IEC62351的GOOSE报文的安全交互方法的参考体系结构图，它主要包括三个部分:服务端对GOOSE报文的处理、GOOSE报文和客户端对GOOSE报文的验证。
[0042]如图2所示，GOOSE报文分为IEC61850标准的GOOSE报文和IEC62351标准的GOOSE报文。IEC61850标准的GOOSE报文报文不包括安全项；IEC62351标准的GOOSE报文是基本结构基于IEC61850标准的GOOSE报文结构，并在此基础上扩展报文，以保存对GOOSE报文进行摘要后的签名值。
[0043]在IEC62351标准提出后，本专利基于IEC62351标准，提出通过GOOSE报文进行扩展，并安全处理，以确定GOOSE报文的源，和防止GOOSE报文被篡改，从而防止GOOSE报文从不确定的源头发出，和GOOSE报文被随意篡改。
[0044]服务端在组装GOOSE报文时，对GOOSE报文进行安全处理，首先对GOOSE报文头部分字段进行CRC计算，以保存在GOOSE报文的保留字段中，再对GOOSE报文进行摘要计算，并对摘要进行签名，并将签名值存放于扩展字段中。
[0045]客户端在接收到GOOSE报文后，对安全处理过的GOOSE报文进行验证，通过签名验证，以确定GOOSE报文的源，通过摘要验证和CRC验证，以确定内容是否被篡改。[0046]下面通过具体实施例说明基于IEC62351的GOOSE报文的安全交互方法的流程，如图3所示，例如有一个服务端程序，需要向一个客户端程序发送经过签名的GOOSE报文，首先，需要通过证书系统为服务端申请签发一个数字证书，以及相对应的RSA私钥，通过文件的形式配置给服务器程序使用。同时，需要将证书(不含私钥)与服务端的网卡MAC地址配置给客户端使用。接着，服务器端和客户端对该报文的处理流程分别如下:
[0047]1.服务器端:首先，服务端按照应用规则，生成GOOSE报文之后，在准备发送给客户端之前，需要对该报文的内容进行签名。
[0048]1.1服务端将GOOSE报文中的TPID、TC1、EtherType、APPID四个字段的值取出组成一个8字节的字节数组，计算其CRC校验值，并填入GOOSE报文中原来的Reserved〗字段中，具体过程如下:
[0049]对应用生成的GOOSE报文G进行解析，得到各个字段的值。签名与验证操作需要的字段有TPID、TC1、EtherType、APPID、APDU等，以及两个保留字段的位置。
[0050]取得待计算CRC校验值的四个字段TPID、TC1、EtherType、APPID的值，并将其拼接成一个字符数组，
[0051]C，=concatenate (G.TPID, G.TCI, G.EtherType, G.APPID)。
[0052]计算该字节数组的CRC校验值，
[0053]C=CRC (C，)。
[0054]将计算出的CRC值填入GOOSE报文的R eserved2字段，
[0055]G.Retain2=C。
[0056]读取并解析服务端的私钥P。
[0057]1.2服务端将GOOSE报文中的APDU、Reserved、Private三个字段的值取出组成一个字节数组，计算其RSA-SHA256签名值AuthenticationValue，并编码添加到GOOSE报文的末尾，具体过程如下:
[0058]取得待计算RSA签名的三个字段APDU、Reserved、Private的值，并将其拼接成一个字符数组，
[0059]S，=concatenate (G.APDU, G.Reserved, G.Private)。
[0060]使用Hash算法计算该字节数组的摘要值S”，
[0061]S”=SHA256(S’)。
[0062]使用服务端私钥对摘要值进行签名，获得签名值S，
[0063]S=RSAPrivateEncrypt (S，，, P)。
[0064]将RSA签名添加到GOOSE报文的末尾，
[0065]G，=concatenate (G, S)。
[0066]计算新的GOOSE报文扩展部分的长度，
[0067]L=Ien (G，)-1en (G)。
[0068]1.3 服务端计算报文扩展的 Reserved、Private、AuthenticationValue 三个字段的长度，并填入GOOSE报文的Reservedl字段第一个字节中，具体过程如下:
[0069]将扩展部分的长度填入Reservedl字段的第一个字节，
[0070]G，.Retainl [O] =L。
[0071]1.4服务端将新的GOOSE报文通过网络发送给客户端。[0072]2.客户端:客户端接收到服务端发送过来的GOOSE报文之后，需要对其签名的合法性进行验证。
[0073]2.1客户端首先根据接收报文的源MAC地址，查找对应的服务端证书:根据接收到的网络报文的源MAC地址，查找对应的服务端证书X。对应用生成的GOOSE报文G进行解析，得到各个字段的值。
[0074]2.2客户端检查GOOSE报文中Reservedl字段的第一个字节，如果是0，说明该GOOSE报文没有经过签名操作，跳过后续的验证操作，具体过程如下:
[0075]判定Reservedl字段的第一个字节是否大于O,
[0076]G.Retainl [O] >0。
[0077]如果不大于O则该GOOSE报文未经过签名，验证结束。
[0078]2.3客户端将GOOSE报文中的TPID、TC1、EtherType、APPID四个字段的值取出组成一个8字节的字节数组，计算其CRC校验值，然后与GOOSE报文中的Reserved2字段中的值进行比较，相等说明CRC校验通过
[0079]取得待计算CRC校验值的四个字段TPID、TC1、EtherType、APPID的值，并将其拼接成一个字符数组，
[0080]C，=concatenate (G.TPID, G.TCI, G.EtherType, G.APPID)。
[0081]计算该字节数组的CRC校验值，
[0082]C=CRC (C，)。
[0083]将计算出的CRC值与GOOSE报文中的Reserved2字段值进行比较，
[0084]C==G.Retain2
[0085]若不相等则验证失败，记录日志，丢弃该报文。
[0086]2.4客户端将GOOSE报文中的APDU、Reserved、Private三个字段的值取出组成一个字节数组，同时将AuthenticationValue字段中的值(即服务端计算的签名值)取出，根据之前查找到的服务端证书进行RSA-SHA256验签操作，通过则整个报文的签名验证成功，具体过程如下:
[0087]取得待计算RSA签名的三个字段APDU、Reserved、Private的值，并将其拼接成一个字符数组，
[0088]S，=concatenate (G.APDU, G.Reserved, G.Private)。
[0089]使用Hash算法计算该字节数组的摘要值S”，
[0090]S”=SHA256(S’)。
[0091]使用服务端证书对报文中的签名值进行解密，得到服务端计算的摘要值S，
[0092]S=RSAPublicDecrypt (S，，, X)。
[0093]比较两个摘要值S”与S，
[0094]S，，==S
[0095]若不相等则验证失败，记录日志，丢弃该报文。若相等，则验证成功。
[0096]2.5客户端继续进行后续的业务层数据处理。
[0097]本发明方法基于IEC62351标准，对GOOSE报文进行CRC计算、报文摘要计算以及对摘要进行签名的安全处理，目的在于解决IEC61850标准的变电站自动化系统在基于IEC62351标准的GOOSE报文安全通信加固问题。通过对基于IEC61850标准的GOOSE报文保留字段进行利用，保存计算GOOSE报文的头部CRC值，同时扩展GOOSE报文结构，对GOOSE报文体进行SHA-256摘要计算，对摘要进行数字签名，并保存于扩展部分，从而保护GOOSE报文的完整性和确定GOOSE报文的发送者，以确保GOOSE事件的真实性。
[0098]由于基于IEC61850标准的GOOSE报文仅涉及数据的交互，变电内GOOSE报文交互没有任何安全的防护，一旦变电站的防护出现意外，变电站内部的GOOSE报文将会被随意发送。而基于IEC62351标准提出以来，智能电子设备在GOOSE报文交互时，需要对报文的源头和数据本身进行验证，从而能够确保在一定时间内，即使变电站外部防护存在安全问题，验证过程也能够保证GOOSE交互过程的安全，以延缓攻击者的速度，为变电站安全争取宝贵时间，从而保护智能变电站内部的安全。
[0099]本发明的实施方式不限于此，在本发明上述基本技术思想前提下，按照本领域的普通技术知识和惯用手段对本
【发明内容】
所做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于IEC62351的GOOSE报文的安全交互方法，其特征在于:服务端准备一套带有私钥的数字证书，同时将证书分发给GOOSE报文的客户端，由客户端将证书与服务端的网卡MAC地址进行关联，接着对报文的签名和验证过程如下: 1)签名流程 .1.0对应用生成的GOOSE报文G进行解析，得到各个字段的值；签名与验证操作需要的字段包括GOOSE报文中的标志协议标识域TPID、标志控制信息域TC1、以太网报文类型域EtherType、应用标识域APPID、应用协议数据单元APDU，以及为未来标准化应用保留的保留字段1、保留字段2; .1.2)取得待计算CRC校验值的四个字段TPID、TC1、EtherType、APPID的值，并将其拼接成一个字符数组； . 1.3)计算该字节数组的CRC校验值；所述计算CRC校验值的方法是采用循环冗余校验; . 1.4)将计算出的CRC值填入GOOSE报文的Reserved2字段； .1.5)读取并解析服务端的私钥P ； .1.6)取得待计算RSA签名的三个字段APDU、Reserved、Private的值，并将其拼接成一个字符数组；其中，Reserved字段作为保留位用于后续扩展，Private字段作为GOOSE报文服务端和客户端传递非标准内容，该非标准内容的格式，由服务端和客户端提前自行约定; . 1.7)使用散列算法MD5Hash计算该字节数组的摘要值S” ； . 1.8)使用服务端私钥对摘要值进行签名，获得签名值S ； . 1.9)将RSA签名添加到GOOSE报文的末尾； . 1.10)计算新的GOOSE报文扩展部分的长度；. 1.11)将扩展部分的长度填入Reservedl字段的第一个字节中； 2)验证流程 . 2.1)根据接收到的网络报文的源MAC地址，查找对应的服务端证书X ； . 2.2)对应用生成的GOOSE报文G进行解析，得到各个字段的值； . 2.3)判定Reservedl字段的第一个字节是否大于O ;如果不大于O则该GOOSE报文未经过签名，验证结束； . 2.4)取得待计算CRC校验值的四个字段TPID、TC1、EtherType、APPID的值，并将其拼接成一个字符数组； .2.5)计算该字节数组的CRC校验值； . 2.6)将计算出的CRC校验值与GOOSE报文中的Reserved2字段值进行比较；若不相等则验证失败，记录日志，丢弃该报文； . 2.7)取得待计算RSA签名的三个字段APDU、ReserVed、PriVate的值，并将其拼接成一个字符数组； . 2.8)使用散列算法MD5Hash计算该字节数组的摘要值S” ； . 2.9)使用服务端证书对报文中的签名值进行解密，得到服务端计算的摘要值S ； . 2.10)比较两个摘要值S”与S ;若不相等则验证失败，记录日志，丢弃该报文；若相等，则验证成功。
【文档编号】H04L29/06GK103873461SQ201410051666
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2014年2月14日
【发明者】陶文伟, 李金 , 周鹏, 张喜铭, 樊腾飞, 梁寿愚 申请人:中国南方电网有限责任公司