２０１２年第２期 （总第１１８期） 信息通信 ＩＮＦＯＲＭＡＴ１０Ｎ＆ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ ２０１２ （Ｓｕｍ．Ｎｏ １ｌ８） 电力系统无线通信技术对比分析 张健。陈勇 （青海油田通信公司业务管理中心，甘肃７３６２０２） 摘要：电力系统无线通信ＷｉＭＡＸ属于无线宽带接入网，由于无线信道的开放性，它的安全问题尤为引人注目 由于无 线接入网所固有的特点，它的安全问题通常集中在认证机制、数据的机密性、完整性和防ＤｏＳ攻击等方面。安全子层的 存在就是为了解决上述问题。 关键词：无线通信；认证机制；ＤｏＳ攻击 中图分类号：ＴＮ９２５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１１３１（２０１２）０２．０２８１．０２ ０引言 电力系统无线通信安全子层位于ＭＡＣ ＣＰＳ子层和物理 层之问，它主要有两个作用：在整个无线宽带网络中为用户提 供安全通信的保障。这通过加密ＳＳ和ＢＳ之间的通信数据来 做到。防止未授权用户非法使用网络。通过强制服务流上的 数据进行加密以及对用户进行认证，能够防止未经授权的用 户窃取网络服务。ＩＥＥＥ８０２．１６采用了密钥管理协议（ＰＫＭ）来 管理ｓｓ密钥的分发。不仅如此，通过增加基于数字证书的认 证我们能够进一步加强保密机制。安全子层的功能是可选的， 可以在初始测距的能力协商阶段决定是否支持安全功能。如 果用户不支持安全功能，那么授权和密钥交换过程将跳过，ＢＳ 认为用户是认证过的，不会发生密钥交换和数据加密；否则未 通过认证的用户不能获得服务。 安全子层由两个子协议构成： （１）数据封装协议。这个协议定义了可支持的加密套件， 数据加密，密钥加密算法的组合。加密算法的应用规则。 （２）私钥管理协议。它保证私钥数据从ＢＳ安全的分发到 ＳＳ上。通过私钥管理协议，ＢＳ和ｓｓ能够同步私钥数据，并且 ＢＳ能够控制用户有条件地使用网络服务。 １电力系统无线通信ＷｉＭＡＸ技术架构 今年来，电力系统无线通信ＷｉＭＡＸ技术（ＩＥＥＥ８０２．１６标 准）以其传输远、高传输速率、开发费用合理、便于安装、设备 互通性好等优势迅速成为数据通信领域的研究热点，在未来 的一两年内很可能成为服务提供商建设城域网的选择之一， 提供最后一公里的接入服务。由于无线传输信道的开放性， 它的安全性一直是人们关注的问题，并将影响其市场推广。因 此关注８０２．１６的安全机制有着极为重要的意义。 ＩＥＥＥ８０２．１６ｅ．２００５的ＰＫＭ分为ＰＫＭｖｌ和ＰＫＭｖ２两个 版本，ＩＥＥＥＳ０２．１６—２００４的ＰＫＭ功能作为ＰＫＭｖｌ，所有的安 全扩展放在ＰＫＭｖ２中，这样用户和基站通过协商，在要求安 全性较高的应用中使用ＰＫＭｖ２，一般情况使用ＰＫＭｖｌ。由于 Ｗｉ．Ｆｉ无线网络的通信链路质量受到硬件设备、环境、阻挡物 和剩余能量等因素的影响，链路并不是完全可靠的，而随着网 络规模的扩大，丢包现象将更加严重，因此可靠数据传输机制 是实现实用的定位系统支撑平台的最基本的保障。通常，实 现可靠传输有两种机制，分别是多路径传输机制和重传机制。 多路径传输机制的实现过程中，如何有效构造从源到目的地 多条路径是个技术难点；如果采用重传机制，则增加了网络的 负载和传输延迟，因此需要研究重传次数最少的可靠性保证 传输机制，以尽可能地减少延迟。结合目前矿井下的建设需 求，我们采用一种合理的可靠保障技术，以满足网络的服务质 量。当节点监测到异常（如矿工走到危险 域等）时，节点需 要将该异常消息发送到服务器，并由服务器 管理人员发送 报警消息（如短消息等）。 ２电力系统无线通信安全子层接入整体架构 安全子层由两个协议组成：数据圭Ｉｊ装 、议和密钥管理 议。数据封装协议定义了通信数据加密算法利认证算法以及 这些算法的应用规则，确保通信数据的安个性；密钥管理协议 定义了密钥分发的规则，阻止未授权用广 的非法接入，确保了 通信密钥的安全分发。 ２．１数据封装协议 安全子层的功能是认证用户和加密 数据， 此涉及到 大量的密码算法。这些算法可以分为肌密算法、信息摘要算法 （ＭＡＣ）。数据封装协议规定了可以采用哪些加密算法加密ｓｓ 和ＢＳ间的通信数据，通信数据如何验证。这 算法在小 的 应用环境具有不同的规格，ＩＥＥＥ８０２．１６协议还规定了这些算法 的应用规则 通信数据的加密算法在ＩＥＥＥ８０２．１６ｅ一２００５ ｔｆＩ有 四种ＤＥＳ．ＣＢＣ、ＡＥＳ．ＣＣＭ、ＡＥＳ．ＣＴＲ、ＡＥＳ．ＣＢＣ，其 ｆｌ后两种 是ＩＥＥＥ８０２．１６．２００４所没有的。其中ＡＥＳ—ＣＣＭ算法既对数据 加密也对数据进行认证。信息摘要算法有两种ＨＭＡＣ—ＳＨＡ１ 和ＣＭＡＣ．ＳＨＡｌ，后一种是ＩＥＥＥＳ０２．１６ｅ ２００５新增加的。信息 摘要算法主要是对ＭＡＣ的消息进行认证，确保消息的来源是 正确的。 ２．２密钥管理协议（ＰＫＭ） 安全机制中一个重要的环节就是密钏的交换或者分发， 在ＩＥＥＥ８０２．１６协议中就是ＢＳ如何将密钥安全的分发给经过 授权的ＳＳ。要实现这一点，ＢＳ首先要对ＳＳ进行认证，只有认 证通过ＢＳ才会将密钥分发给这个ＳＳ。同样Ｓｓ也会认证ＢＳ， ｓｓ只会和认证通过的ＢＳ进行密钥的交换过程。认证的结果 使得ＳＳ和ＢＳ互相信任，ＢＳ将Ｓｓ可以使用的服务授权给ｓｓ， 同时ＢＳ和ＳＳ拥有了共享的密钥数据（ＰＰＡＫ或ＭｓＫ），这个 密钥不是用来加密通信数据的密钥，它只足根密钥，用来衍生 安全子层密钥层次中的其他密钥。由于长期使用问‘一个密钥 是不安全的，侵入者可能会利用大量的明文／密文破解出密钥 数据，因此需要周期性地更新ＡＫ和ＴＥＫ，这就需要认证过程 和ＴＥＫ的分发过程周期性的进行。 ３结语 电力系统无线通信ＰＫＭ协议采用Ｃ／Ｓ模式，ｓｓ发送认证 请求，ＢＳ接到请求后认证该ｓｓ并发回棚应的同应。认订Ｅ通过 后，ｓＳ发出ＴＥＫ请求，ＢＳ接到请求后将用ＡＫ加密过的ＴＥＫ 发回给该ＳＳ。ｓＳ的请求采用ＰＫＭ．ＲＥＱ消息，（下转第１４７页） ２刚 信息通信 个发送器和接收器的组合，将ＣＡＮ控制器提供的数据转化 为电信号并通过数据线发送出去；接收总线上的数据，并将 数据传送到ＣＡＮ控制器。数据传输终端是阻止数据在传输 闰俊杰：基 】＝计算机网络技术的汽年局域网 的传输间距小于两次点火的ｆ｝】］隔，同时各单元彳丁不同优先 顺序。 ４汽车车载网络系统故障类型 （１）车载网络电源系统故障：汽午车载刚络信息传输系 统的核心部分是含有通信ＩＣ芯片的电控模块（ＥｃＭ），电控 模块的正常工作电压在１０．１～１ ５．０ Ｖ。如果汽车电源系统 提供的 作电压低于该范围，就会造成 对丁作电压要 求高的电控模块出现短暂的停工，从而使整个汽车多路信 时被反射回来并产生反射波因为反射波会破坏数据。数据 传递线是用以传输数据的双向数据线，分为ＣＡＮ高位数据 线、ＣＡＮ低位数据线，２根数据线上的电压是相反的，若～根 数据线上的电压约为０Ｖ；则另‘根数据线上的电压就是约 为５Ｖ。 ３．２ ＣＡＮ总线多路传输系统通信协议 车载网络就是有多个电控单元相互连接组成，它们之间 相互通信必须遵守统一的规则或约定，以共同的语言相互交 息传输系统出现短暂无法通信的现象。这类故障产 的原 因主要是蓄电池、发电机、供电线路、熔断丝等元器件仃故 障。 流。这样就可以保证各电控单元能够正常使用网络进行通信。 ３－２．１通信协议的三要素 （１）语义规定通信双方“对话”内容的解释，如汽车不同控 制 元之问进行通信时采用的不同协议，在确定的协议 规 定通信双方要发出什么控制信息、执行什么动作和返回什么 应答等。 （２）车载网络节点故障：节点在汽车车载网络信息传输系 统中的就是电控模块，因此节点故障就是电控模块的故障。它 包括软件故障和硬件故障两大类。软件故障，即传输协｝义和 软件程序有缺陷或冲突，从而使汽车多路信息传输系统通信 传输出现混乱或无法丁作，且无法维修。硬件敞障，一般［ｆ】于 通信芯片或集成电路故障，造成汽车网络多路信息传输系统 （２）语法规定通信双方“对话”的格式，如通信双方采用的 数据格式与编码、信息流的控制、错误处理等。 （３）语序是确定通信双方“对话”的时序，即确定链路通信 过程中通信状态的变化，如规定正确的应答关系、速度匹配等。 ３．２．２汽车网络通信协议 无法正常工作。此类故障产生的原因｝要足筹类控制单元、 传感器等元器件有故障。 （３）午载网络链路故障：当汽车 载网络信息传输系统的 链路（或通信线路）出现故障时，如通信线路的短路、断路，以及 线路物理性质引起的通信信号衰弱或失真，都会引起多个电 控单元无法工作或电控系统错误，使多路信息传输系统无法 工作。 汽车网络系统由低到高划分为Ａ级、Ｂ级、Ｃ级网络，各 个级别的网络都有不同的网络协议，Ｂｏｓｃｈ公司提出的ＣＡＮ 标准是目前应用最为广泛的汽车网络标准。 ３．３ ＣＡＮ总线的数据传输过程 ＣＡＮ系统中，一个节点往往就是一个控制单元（ＥＣＵ）或 智能装置。对于使用中间缓冲寄存器的ＣＡＮ控制器的节点， 当控制单元的微控制器要通过ＣＡＮ发送信息时。通过与ＣＡＮ 控制器的接口把信息写入发送缓冲寄存器，这个信息通过 ＣＡＮ协议控制逻辑包装后向总线上发送。控制单元的微控制 ５汽车车载网络系统故障诊断基本步骤 针对汽车车载网络系统常见的ｊ种故障类型，綦本的诊 断步骤是： （１）了解该车型的汽车多路传输系统特点，包括传输介质、 几种了网系统及汽车多路信息传输系统的结构形式等。 （２）掌握汽车多路信息传输系统的功能，通过故障现象分 器接受信息时，ＣＡＮ控制器截获每一个总线上的信息送入过 滤电路，如果判定为本节点要接受的信息，则送往接受缓冲寄 存器，这时，节点控制器就可以读取这个信息。 析故障的发生部位，进行对症维修。 （３）检查汽车电源系统是否存在故障，如交流发电机的输 出波形是否正常（若不正常将导致信号干扰故障）等。 （４）检查汽车多路信息传输系统的链路是 存在故障，可 采用替换法或跨线法进行检测。 （５）检查相应的控制单元有无故障，只能采用替换法进行 检测。 ３．４ ＣＡＮ网络实例 动力传动系统的ＣＡＮ网络可以实现汽车动力传动系 统各控制单元问的高速数据通信，使每个相应的电控单元 获得整个动力系统的数据和工作状态，实时控制动力系统 的最佳动力输出与传递。动力传动系统的控制功能要求数 据传输的实时性，所以要求网络具有较高的数据传输功能。 比如在发动机控制巾，为计算点火控制参数，必须保证数据 ・（６）利用车载网络故障白诊断功能进行自榆，确定故障部 位作为参考进行相应的检查。 （７）利用外接检测设备进行诊断。 ・・＋”＋・・＋一＋－＋一＋－＋－＋・・＋一＋・・＋‘・＋・・＋・・＋‘‘＋・。＋”—。＋一”—’～‘‘—‘＋一 ’—— ＋一＋・・＋”＋・・＋・・＋－＋一＋一十“＋・・＋・・＋”＋一＋一＋”十・・＋”＋ｎ＋一＋（上接第２８１页）ＢＳ的回应采用ＰＫＭ—ＲＳＰ消息。ＰＫＭ协 议由认证过程、授权过程和ＴＥＫ交换更新过程组成，分别 对应认证状态机、ＳＡ—ＴＥＫ三次握手过程和ＴＥＫ状态机。 认证过程是ＳＳ和ＢＳ相互确认对方的身份；ＳＡ．ＴＥＫ过程 足ＢＳ向ＳＳ授权它能够访问的服务（通过安全关联的形式 参考文献： ［１］ ＩＥＥＥ．Ａｉｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ Ｆｉｘｅｄ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｙｓ— ｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ８０２．１６（Ｒｅｖｉｓｉｏｎ ｏｆｌＥＥＥ Ｓｔｄ ８０２．１６—２００１），Ｏｃ— ｔｏｂｅｒ ２００４． 授权）；ＴＥＫ状态机是为每个安全关联更新通信密钥 （ＴＥＫ） ［２】 ＩＥＥＥ．Ａｉｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｏｒ Ｆｉｘｅｄ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＡＣＣＣＳＳ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｐ８０２．１６．２００５／Ｄｌ２，Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００５． ［３】孔民，章璐，李庞．ＩＥＥＥ８０２．１６宽带尢线接入系统 令分 析［Ｊ］．．江苏通信技术，２００５，２１（５）：１．４ ｌ４７