電力結(jié)構(gòu)與無線通信傳播的比較范文

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本文作者：張健陳勇單位：青海油田通信公司業(yè)務(wù)管理中心

引言

電力系統(tǒng)無線通信安全子層位于MACCPS子層和物理層之間，它主要有兩個(gè)作用：在整個(gè)無線寬帶網(wǎng)絡(luò)中為用戶提供安全通信的保障。這通過加密SS和BS之間的通信數(shù)據(jù)來做到。防止未授權(quán)用戶非法使用網(wǎng)絡(luò)。通過強(qiáng)制服務(wù)流上的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密以及對用戶進(jìn)行認(rèn)證，能夠防止未經(jīng)授權(quán)的用戶竊取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。IEEE802.16采用了密鑰管理協(xié)議（PKM）來管理SS密鑰的分發(fā)。不僅如此，通過增加基于數(shù)字證書的認(rèn)證我們能夠進(jìn)一步加強(qiáng)保密機(jī)制。安全子層的功能是可選的，可以在初始測距的能力協(xié)商階段決定是否支持安全功能。如果用戶不支持安全功能，那么授權(quán)和密鑰交換過程將跳過，BS認(rèn)為用戶是認(rèn)證過的，不會發(fā)生密鑰交換和數(shù)據(jù)加密；否則未通過認(rèn)證的用戶不能獲得服務(wù)。安全子層由兩個(gè)子協(xié)議構(gòu)成：（1）數(shù)據(jù)封裝協(xié)議。這個(gè)協(xié)議定義了可支持的加密套件，數(shù)據(jù)加密，密鑰加密算法的組合。加密算法的應(yīng)用規(guī)則。（2）私鑰管理協(xié)議。它保證私鑰數(shù)據(jù)從BS安全的分發(fā)到SS上。通過私鑰管理協(xié)議，BS和SS能夠同步私鑰數(shù)據(jù)，并且BS能夠控制用戶有條件地使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

1電力系統(tǒng)無線通信WiMAX技術(shù)架構(gòu)

今年來，電力系統(tǒng)無線通信WiMAX技術(shù)（IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)）以其傳輸遠(yuǎn)、高傳輸速率、開發(fā)費(fèi)用合理、便于安裝、設(shè)備互通性好等優(yōu)勢迅速成為數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在未來的一兩年內(nèi)很可能成為服務(wù)提供商建設(shè)城域網(wǎng)的選擇之一，提供最后一公里的接入服務(wù)。由于無線傳輸信道的開放性，它的安全性一直是人們關(guān)注的問題，并將影響其市場推廣。因此關(guān)注802.16的安全機(jī)制有著極為重要的意義。IEEE802.16e-2005的PKM分為PKMv1和PKMv2兩個(gè)版本，IEEE802.16-2004的PKM功能作為PKMv1，所有的安全擴(kuò)展放在PKMv2中，這樣用戶和基站通過協(xié)商，在要求安全性較高的應(yīng)用中使用PKMv2，一般情況使用PKMv1。由于Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的通信鏈路質(zhì)量受到硬件設(shè)備、環(huán)境、阻擋物和剩余能量等因素的影響，鏈路并不是完全可靠的，而隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，丟包現(xiàn)象將更加嚴(yán)重，因此可靠數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制是實(shí)現(xiàn)實(shí)用的定位系統(tǒng)支撐平臺的最基本的保障。通常，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸有兩種機(jī)制，分別是多路徑傳輸機(jī)制和重傳機(jī)制。多路徑傳輸機(jī)制的實(shí)現(xiàn)過程中，如何有效構(gòu)造從源到目的地多條路徑是個(gè)技術(shù)難點(diǎn)；如果采用重傳機(jī)制，則增加了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載和傳輸延遲，因此需要研究重傳次數(shù)最少的可靠性保證傳輸機(jī)制，以盡可能地減少延遲。結(jié)合目前礦井下的建設(shè)需求，我們采用一種合理的可靠保障技術(shù)，以滿足網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。當(dāng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到異常（如礦工走到危險(xiǎn)區(qū)域等）時(shí)，節(jié)點(diǎn)需要將該異常消息發(fā)送到服務(wù)器，并由服務(wù)器向管理人員發(fā)送報(bào)警消息（如短消息等）。

2電力系統(tǒng)無線通信安全子層接入整體架構(gòu)

安全子層由兩個(gè)協(xié)議組成：數(shù)據(jù)封裝協(xié)議和密鑰管理協(xié)議。數(shù)據(jù)封裝協(xié)議定義了通信數(shù)據(jù)加密算法和認(rèn)證算法以及這些算法的應(yīng)用規(guī)則，確保通信數(shù)據(jù)的安全性；密鑰管理協(xié)議定義了密鑰分發(fā)的規(guī)則，阻止未授權(quán)用戶的非法接入，確保了通信密鑰的安全分發(fā)。

2.1數(shù)據(jù)封裝協(xié)議

安全子層的功能是認(rèn)證用戶和加密用戶數(shù)據(jù)，因此涉及到大量的密碼算法。這些算法可以分為加密算法、信息摘要算法（MAC）。數(shù)據(jù)封裝協(xié)議規(guī)定了可以采用哪些加密算法加密SS和BS間的通信數(shù)據(jù)，通信數(shù)據(jù)如何驗(yàn)證。這些算法在不同的應(yīng)用環(huán)境具有不同的規(guī)格，IEEE802.16協(xié)議還規(guī)定了這些算法的應(yīng)用規(guī)則。通信數(shù)據(jù)的加密算法在IEEE802.16e-2005中有四種DES-CBC、AES-CCM、AES-CTR、AES-CBC，其中后兩種是IEEE802.16-2004所沒有的。其中AES-CCM算法既對數(shù)據(jù)加密也對數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證。信息摘要算法有兩種HMAC-SHA1和CMAC-SHA1，后一種是IEEE802.16e-2005新增加的。信息摘要算法主要是對MAC的消息進(jìn)行認(rèn)證，確保消息的來源是正確的。

2.2密鑰管理協(xié)議（PKM）

安全機(jī)制中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是密鑰的交換或者分發(fā)，在IEEE802.16協(xié)議中就是BS如何將密鑰安全的分發(fā)給經(jīng)過授權(quán)的SS。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，BS首先要對SS進(jìn)行認(rèn)證，只有認(rèn)證通過BS才會將密鑰分發(fā)給這個(gè)SS。同樣SS也會認(rèn)證BS，SS只會和認(rèn)證通過的BS進(jìn)行密鑰的交換過程。認(rèn)證的結(jié)果使得SS和BS互相信任，BS將SS可以使用的服務(wù)授權(quán)給SS，同時(shí)BS和SS擁有了共享的密鑰數(shù)據(jù)（PPAK或MSK），這個(gè)密鑰不是用來加密通信數(shù)據(jù)的密鑰，它只是根密鑰，用來衍生安全子層密鑰層次中的其他密鑰。由于長期使用同一個(gè)密鑰是不安全的，侵入者可能會利用大量的明文/密文破解出密鑰數(shù)據(jù)，因此需要周期性地更新AK和TEK，這就需要認(rèn)證過程和TEK的分發(fā)過程周期性的進(jìn)行。

3結(jié)語

電力系統(tǒng)無線通信PKM協(xié)議采用C/S模式，SS發(fā)送認(rèn)證請求，BS接到請求后認(rèn)證該SS并發(fā)回相應(yīng)的回應(yīng)。認(rèn)證通過后，SS發(fā)出TEK請求，BS接到請求后將用AK加密過的TEK發(fā)回給該SS。SS的請求采用PKM-REQ消息，）BS的回應(yīng)采用PKM-RSP消息。PKM協(xié)議由認(rèn)證過程、授權(quán)過程和TEK交換更新過程組成，分別對應(yīng)認(rèn)證狀態(tài)機(jī)、SA-TEK三次握手過程和TEK狀態(tài)機(jī)。認(rèn)證過程是SS和BS相互確認(rèn)對方的身份；SA-TEK過程是BS向SS授權(quán)它能夠訪問的服務(wù)（通過安全關(guān)聯(lián)的形式授權(quán)）；TEK狀態(tài)機(jī)是為每個(gè)安全關(guān)聯(lián)更新通信密鑰（TEK）。