基于可信操作指令遥控远程自控装置的物联网安全实现方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及操作指令遥控远程自控装置的物联网信息安全领域。
【背景技术】：
[0002] 目前，在物联网应用方面，各国工业自动化系统都采用PLC的各种操作指令对工 业自动化生产的全过程进行控制，而针对远程自控装置的运行控制，是采用遥控操作指令 来实现，其中：远程自控装置如：卫星、无人机、无人值守仪器、自控设备，而实现工业自动 化系统和远程自控装置的控制，都需要由物联网控制中心，向工业自动化系统的PLC发送 操作指令，或向远程自控装置发送遥控操作指令，然而，物联网的操作指令都是以明文方式 发送，容易被黑客、敌对组织或国家破解或篡改，造成财产损失，或造成对国家和社会的破 坏，国内外采用的物联网安全技术理念，还停留在互联网的PKI技术上，PKI技术签名验证 的速度较慢，会大大影响指令控制系统的效率，总之，现有的安全技术和产品都不能满足市 场的需求。
【发明内容】
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[0003] 基于可信操作指令遥控远程自控装置的物联网安全实现方法，是采用密码和芯片 技术在物联网操作指令控制中心端和工业自动化系统的PLC设备，或远程自控装置端都分 别建立加密系统，在工业自动化系统的PLC设备可信控制领域，将一块SD卡嵌入PLC设备 里，在SD卡芯片里建立PLC端加密系统，并写入对称密码算法、组合密钥生产算法、PLC设 备的标识Cj、一组"密钥种子"三维矩阵Tj元素和解密及签验协议，在物联网操作指令控制 中心端服务器的PCI槽里插入加密卡，在加密卡芯片里，建立物联网操作指令控制中心端 加密系统，并写入对称密码算法、摘要算法、组合密钥生产算法、一组"密钥种子"三维矩阵 TT的元素和加密及签名协议，且将每个PLC设备的标识Cj，与对应的"密钥种子"三维矩阵 Tj元素密文一起，存储在物联网操作指令控制中心端的密钥数据库里，其中：加密各个"密 钥种子"三维矩阵Tj元素的存储密钥GKi，是根据组合密钥生成算法，由加密卡芯片里的 矩阵TT生成，j = 1?m，m为全体PLC设备数量的总和；
[0004] 当物联网操作指令控制中心向标识为Cj的PLC设备端发出操作指令LD时，在加 密卡芯片里，物联网指令控制中心端加密系统首先生成存储密钥GKj，将对应PLC设备标识 Cj "密钥种子"三维矩阵Tj元素的密文解密成明文，产生一组随机数S，由Cj和S生成摘 要信息L，再生成LD的摘要信息MD，根据组合密钥生产算法，由L组成的矩阵G与矩阵Tj 生成一组对称密钥LKl，对LD和MD进行加密，得到LD的密文以及LD的数字签名，将PLC设 备的标识Cj、MD、LD的密文和LD的数字签名，以及矩阵G -并发送给对应标识为Cj的PLC 设备端，Cj的PLC设备端加密系统，在SD卡芯片里，根据组合密钥生产算法，由矩阵G和矩 阵Tj生成对称密钥LK2,将LD的密文和LD数字签名解密，得到LD的明文和LD的摘要信息 MD1，在Cj的PLC设备端SD卡的芯片里，通过对比MD和MDl是否相同？来判断Cj的PLC 设备端收到的操作指令是否可信、完整，若MD辛MD1，则Ci的PLC设备端停止操作指令LD 的相关操作，若MD = MDl，则Cj的PLC设备端执行操作指令LD的相关操作，从而，实现在工 业自动化领域，对PLC设备过程的可信控制；
[0005] 本发明在远程自控装置的可信控制领域，由物联网操作指令控制中心，对远程自 控装置发送可信操作指令，实现对远程自控装置的可信遥控，其方法的技术特征在于：
[0006] 将一块SD卡嵌入到远程自控装置端，在SD卡芯片里，建立远程自控装置端加密系 统，并写入对称密码算法、组合密钥生产算法、远程自控装置的标识Bi、一组"密钥种子"三 维矩阵Ti元素和解密及签验协议，在物联网操作指令控制中心端服务器的PCI槽里插入加 密卡，在加密卡芯片里，建立物联网操作指令控制中心端加密系统，并写入对称密码算法、 摘要算法、组合密钥生产算法、一组"密钥种子"三维矩阵TT元素和加密及签名协议，将每 个远程自控装置的标识Bi，与对应的"密钥种子"三维矩阵Ti元素密文一起，存储在物联网 操作指令控制中心端的密钥数据库里，其中：加密各个"密钥种子"三维矩阵Ti元素的存储 密钥CKi，是根据组合密钥生成算法，由加密卡芯片里的TT生成，i = 1?η，η为全体远程 自控装置数量的总和；
[0007] 当物联网操作指令控制中心向远程自控装置发出操作指令时，物联网操作指令控 制中心产生拟发送给远程自控装置Bi的操作指令Ζ，物联网指令控制中心端加密系统，在 加密卡芯片里生成存储密钥CKi，将对应Bi的远程自控装置的"密钥种子"三维矩阵Ti元 素的密文解密成明文，再生成Z的摘要信息M1，在加密卡芯片里，产生一组随机数S，与对应 Bi生成摘要信息L1，根据组合密钥生产算法，由Ll组成的矩阵Gl与矩阵Ti，生成一组对 称密钥Kl，对Z和Ml进行加密，得到Z的密文以及Z的数字签名，将远程自控装置的标识 Bi、M1、Z的密文和Z的数字签名，以及矩阵Gl -并发送给标识为Bi的远程自控装置端，Bi 的远程自控装置端加密系统，在SD卡芯片里，根据组合密钥生产算法，生成对称密钥K2,将 控制指令Z的密文和Z的数字签名解密，得到Z的明文和Z的摘要信息M2,在Bi的远程自 控装置端SD卡的芯片里，通过对比Ml和M2是否相同？来判断收到的操作指令是否完整、 可信，若Ml辛M2,则Bi的远程自控装置停止操作指令的相关操作，若Ml = M2,则Bi的远 程自控装置执行操作指令的相关操作，从而，实现物联网操作指令控制中心对远程自控装 置的可信遥控，全部过程用软件和硬件结合方式实现，具体方法如下：
[0008] 1、在远程自控装置端插入SD卡硬件设备，在SD卡芯片里，建立远程自控装置端加 密系统，并写入对称密码算法、组合密钥生成算法、远程自控装置的标识、一组"密钥种子" 和解密及签验协议；
[0009] 每个远程自控装置的标识Bi与一套"密钥种子"组成的三维矩阵Ti元素一一对 应，其中：远程自控装置的标识两两不同，对应的"密钥种子"三维矩阵Ti的元素也两两不 同，i = 1?η，η为全体远程自控装置的总和。
[0010] 2、在物联网操作指令控制中心端服务器的PCI槽里插入加密卡，在加密卡芯片 里，建立物联网操作指令控制中心端加密系统，并写入对称密码算法、摘要算法、组合密钥 生产算法、一组"密钥种子"三维矩阵TT元素和加密及签名协议，将每个远程自控装置的标 识Bi，与对应的"密钥种子"三维矩阵Ti元素密文，一起存储在物联网操作指令控制中心端 的密钥数据库里，其中= 1?η，η为全体远程自控装置的总和。
[0011] 3、对称密码算法使用SMS4、SM1、RC4、RC5、3DES、或AES算法，密钥长度为128或 256比特，或者根据对称密码算法的要求而定；摘要算法使用SM3算法、SHA-2算法，摘要信 息的长度为256比特。
[0012] 4、每个远程自控装置的标识Bi对应的"密钥种子"组成的三维矩阵Ti元素，以及 加密卡芯片里的"密钥种子"组成的三维矩阵TT元素，都是由物联网操作指令控制中心端 加密卡里的随机数发生器产生，将每组"密钥种子"组成一个32行16列16页，或16行16 列16页的三维矩阵Ti，矩阵Ti共有8192或4096个元素，每个元素占0. 5字节或1字节， 每个远程自控装置的标识Bi对应的"密钥种子"组成的三维矩阵Ti，占8192字节，或4096 字节，或20