CN110889595A - 一种基于哈希算法的电力物资编码优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于哈希算法的电力物资编码优化方法，运用基于MD5消息摘要算法基础上构造而成的HMAC‑MD5算法，将密钥与消息数据混合，使用哈希函数对混合结果进行哈希计算，将所得哈希值与密钥混合，然后再次应用哈希函数；HMAC‑MD5接受任何大小的密钥，并生成长度为128位的哈希序列。本发明在现有电力物资编码方式的基础上结合哈希算法，基于HMAC‑MD5算法的电力物资编码安全强度高；将基于HMAC‑MD5算法的编码与IPv6融合，基于HMAC‑MD5算法的编码方式产生的编码加入了密钥，而融合了带密钥的哈希值生成的IPv6地址，具有更好的抗攻击能力。

Description

一种基于哈希算法的电力物资编码优化方法

技术领域

本发明属于电力物质编码领域，具体涉及一种基于哈希算法的电力物资编码优化方法。

背景技术

电力物资的品类繁多、数量庞大，需要赋予物资唯一的身份码，而科学、合理、统一的物资编码方式，是系统安全运行、数据的协同共享、信息的高效处理重要支撑。目前，电力物资的垂直管理模式相对成熟，但管理的环节冗长，涉及多个部门，导致部门之间的横向专业协同、信息共享存在壁垒，阻碍数据价值的深入发掘。同时项目编码、供应商编码、仓储点编码、物资编码等来源于不同业务系统，仅能在局部系统中实现部分编码的关联，信息在整个过程中的衔接程度十分有限。

因此，探索建立适应泛在电力物联网建设需求的物资编码技术尤为重要。

2018年，国家电网公司制定了《电网资产统一身份编码建设推广实施总体工作方案》，提出全面开展电网资产统一身份编码建设推广工作。2019年4月30日，国家电网印发《国家电网有限公司关于印发电网资产统一身份编码建设实施方案的通知》（国家电网设备[2019]414号），推进公司电网实物资产统一身份编码（以下简称实物“ID”）建设和应用，提升公司资产全寿命周期管理水平，夯实泛在电力物联网建设基础（参考文献：国家电网有限公司. 国家电网有限公司关于印发电网资产统一身份编码建设实施方案的通知[Z].2019-04-30）。

现行实物ID编码采用24位十进制数据组成，代码结构由网省公司代码段、识别码、流水号和校验码四部分组成。各部分代码位数见下表1-1。

表1-1 现行电力物资ID编码组成

序号	1	2	3	4
					代码名称	网省公司代码	识别码	流水号	校验码
位数	3	2	18	1

(1) 网省公司代码：3位数，用于标识电网资产实物ID归属单位，由国家电网公司统一制定，如国网浙江省电力公司为“011”。

(2) 识别码：2位数，用于区分不同业务应用生成的电网资产实物ID，如供应商交付的增量设备资产实物为“01”。

(3) 流水号：18位数，按照数字序列自动生成。

(4) 校验码：1位数，用于检查电网资产物资是否启用。

国家电网现行的电力物资实物ID，主要包含以下“14+2”的电网一次设备：14类主网设备：主变压器、断路器、组合电器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、电抗器、电力电容器、耦合电容器、接地变、站用变、开关柜、避雷器、消弧线圈。2类配网设备：配电变压器和环网柜。

电力物资实物ID业务流程见附图1，附图1为现行电力物资实物ID业务流程图。

现行电力物资编码存在的问题是：(1) 物资品类有待拓展。电力物资实物ID目前仅运用于“14+2”的电力物资品类，在建设泛在电力物联网的要求下，有待进一步扩展应用到其他物资类别，不仅仅是电流物资，生产服务车辆、仪器仪表及后勤设备设施也存在赋码需求。电力物资的多样性、不同分类方式、其它的设备设施，都对现行的物资编码方式提出了适用性挑战。(2) 编码形式不统一。目前业务活动中，项目编码、供应商编码、仓储码编码、物资编码等来源于不同业务系统，编码形式不统一，仅能在局部系统中实现部分编码的关联，信息在整个过程中的衔接程度十分有限。(3) 编码缺少节点信息。现行物资编码规则采用24位十进制，每段代码名称所指代的含义，仅考虑物资自身属性及其在国网系统内部的流转的唯一性，没有有效地结合物资从生产、供应、仓储、配送、运维、报废的全寿命周期的关键节点信息，为物资管理信息共享、价值挖掘提供基础支撑。

哈希算法概述，Hash，一般翻译做散列、杂凑，或音译为哈希，是把任意长度的输入（又叫做预映射pre-image）通过散列算法变换成固定长度的输出，该输出就是散列值。Hash函数，简单的说就是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数。著名的哈希函数有MD4、MD5、SHA-1、SHA-2等。

其中，MD4，参考文献《Rivest R L. The MD4 message digest algorithm. In:Menezes A J, Vanstone S A, eds. Proceedings of the 10th anniversary of theCrypto conferences, Santa Barbara， CA，USA，1990. 303-311》。

MD5，参考文献《Rivest R L. The MD5 message digest algorithm. RFC1320，Internet Activ-ities Board，Internet Privacy Task Force，1992》。

SHA-1，参考文献《National Institute of Standards and Technology. Securehash standard. Federal Information Processing Standards Publication 180-1，1995》。

SHA-2，参考文献《National Institute of Standards and Technology. Securehash standard. Federal Information Processing Standards Publication 180-3，2008》。

随着互联网的飞速发展，网络安全问题日益突出。为了确保接收方所接收到的报文数据的完整性，人们开始采用消息认证来验证。在FSE 2008上，Shamir设计了第一个轻量级MAC算法（Message Authentication Code）SQUASH，参考文献《Shamir A. SQUASH - anew MAC with provable security properties for highly constrained devices suchas RFID tags. In: Nyberg K，eds. Pro-ceedings of the 15th InternationalWorkshop on Fast Software Encryption，Lausanne，Switzerland，2008. 144-157》。

HMAC（Hash-based Message Authentication Code），是由H.Krawezyk，M.Bellare，R.Canetti于1996年提出的一种基于Hash函数和密钥进行消息认证的方法，并于1997年作为RFC2104被公布（参考文献《RFC2104， HMAC: Keyed-Hashing for MessageAuthentication. 1997》），并在IPSec和其他网络协议（如SSL）中得以广泛应用，现在已经成为事实上的Internet安全标准。它可以与任何迭代散列函数捆绑使用。

发明内容

本发明主要针对现有电力物资编码存在的问题，发明了一种基于哈希算法的电力物资编码优化方法。

电力物资编码是物资唯一的“身份证”，是建设泛在电力物联网的基础性工作，编码的科学性对物资管理的有序高效、数据统计分析等都有着极其重要的意义。哈希算法是能把任意长度的消息压缩到某一固定长度字符串（又称消息摘要）的算法。结合现有电力物资编码方式，通过哈希算法的运用，突破传统的编码模式，在实现电力物资编码的统一同时，探讨电力物资编码与IPv6结合的可能性。

基于Hash算法的HMAC，其安全强度远高于Hash算法，本发明运用基于MD5消息摘要算法基础上构造而成的HMAC-MD5算法，探索电力物资编码的新方式。

本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：一种基于哈希算法的电力物资编码优化方法，运用基于MD5消息摘要算法基础上构造而成的HMAC-MD5算法，HMAC-MD5算法将密钥与消息数据混合，使用哈希函数对混合结果进行哈希计算，将所得哈希值与密钥混合，然后再次应用哈希函数；

HMAC-MD5接受任何大小的密钥，并生成长度为128位的哈希序列；

HMAC-MD5算法的描述如下：

HMAC（K，M）=H（K⊕opad‖H（K⊕ipad‖M））；

K：密钥；M：消息内容；H：散列函数，该散列函数选取MD5；

opad和ipad：分别是由若干个0x5c和0x36组成的字符串；

⊕：异或运算；‖：连接操作。

作为优选，所述HMAC-MD5算法的计算过程步骤如下：

步骤1：在密钥K后面添加0来创建一个长为B的字符串；

步骤2：将步骤1生成的字符串与ipad做异或运算，形成结果字符串；

步骤3：将消息M的数据流附加到步骤2的结果字符串的末尾；

步骤4：将MD5算法作用于步骤3生成的数据流；

步骤5：将步骤1生成的字符串与opad做异或运算，形成结果字符串；

步骤6：再将步骤4的结果附加到步骤5的结果字符串的末尾；

步骤7：将MD5算法作用于步骤6生成的数据流，最终输出结果。

HMAC的安全性依赖于嵌入的Hash函数的同时，也依赖于密钥，密钥的安全性依赖于它的长度和随机性。

参考文献《Xiaoyun Wang， Collisions for Hash Functions MD4， MD5， HAVAL-128 and RIPEMD，Crypto'04，http://eprint.iacr.org/2004/199.pdf，2004.》，虽然找到了MD5等算法的碰撞，字符串S1和S2不同但它们形成的MD5值却相同，即发生了“碰撞”，但是MD5算法本身依然是不可逆的，仍然可以用来加密。同时，即使找到了Hash函数的碰撞，如果无法破解密钥，也不能对HMAC进行有效的攻击，参考文献《Mihir Bellare. Attacks onSHA-1. http://www. openauthentication，org，2005-3-20》。因此，在保证密钥安全性的前提下，HMAC要比单一的Hash函数具有更高的安全性，参考文献《于华章. HMAC算法安全性分析. 计算机安全，2005 (7): 53-57》。

作为优选，HMAC的安全性依赖于嵌入的Hash函数，同时也依赖于密钥，密钥的安全性依赖于它的长度和随机性。

作为优选，基于HMAC-MD5算法，对不同的编码体系下的现状编码进行了转化，生成统一的128位哈希序列编码，转换为16进制后为32位；同时，对同一编码的内容，采用两种不同的密钥进行对比，产生完全不同的哈希序列。

作为优选，采用伪随机序列的方法生成密钥，通过安全的密钥协商机制、密钥的更新方式保障其安全性。

一种基于HMAC-MD5算法的编码方式产生的编码与IPv6地址的融合方式。

作为优选，所述IPv6地址包括全球网络标识符、本地子网标识符、主机标识符，所述主机标识符包括基于HMAC-MD5算法的编码方式产生的编码。

IPv6是英文“Internet Protocol Version 6”（互联网协议第6版）的缩写，是互联网工程任务组（IETF）设计的用于替代IPv4，成为下一代互联网的基础通信协议，参考文献《江连山，侯乐青. IPv6 和物联网[J]. 电信网技术，2012(09): 1-6.》。

IPv6的文本表示法也与RFC5952（参考文献《Kawamura S，Kawashima M. AddressText Representation. A Recommendation for IPv6 RFC 5952，August 2010》）中确定，IPv6地址通常使用冒号十六进制形式表示，即x:x:x:x:x:x:x:x，每个x都以16进制表示一个16位长的整数，且里面的字母用小写表示。

在对IPv6地址分配的研究中，一般针对后64位的进行设计和定义，上述基于HMAC-MD5算法的编码方式产生的编码加入了密钥，而融合了带密钥的哈希值生成的IPv6地址，具有更好的抗攻击能力。

综上所述，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明在现有电力物资编码方式的基础上结合哈希算法，哈希算法能把任意长度的消息压缩到某一固定长度字符串，基于HMAC-MD5算法的电力物资编码安全强度高；本发明将基于HMAC-MD5算法的编码与IPv6融合，基于HMAC-MD5算法的编码方式产生的编码加入了密钥，而融合了带密钥的哈希值生成的IPv6地址，具有更好的抗攻击能力。

附图说明

图1是现行电力物资实物ID业务流程图；

图2是基于HMAC-MD5算法的编码与IPv6的融合方式。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

一种基于哈希算法的电力物资编码优化方法，基于Hash算法的HMAC，其安全强度远高于Hash算法，运用基于MD5消息摘要算法基础上构造而成的HMAC-MD5算法，将密钥与消息数据混合，使用哈希函数对混合结果进行哈希计算，将所得哈希值与该密钥混合，然后再次应用哈希函数。HMAC-MD5接受任何大小的密钥，并生成长度为128位的哈希序列。

HMAC-MD5算法的描述下：

HMAC（K，M）=H（K⊕opad‖H（K⊕ipad‖M））

K：密钥；M：消息内容；H：散列函数，该散列函数选取MD5；opad和ipad：分别是由若干个0x5c和0x36组成的字符串；⊕：异或运算；‖：连接操作。

过程步骤如下：

步骤1：在密钥K后面添加0来创建一个长为B的字符串；

步骤2：将步骤1生成的字符串与ipad做异或运算，形成结果字符串；

步骤3：将消息M的数据流附加到步骤2的结果字符串的末尾；

步骤4：将MD5算法作用于步骤3生成的数据流；

步骤5：将步骤1生成的字符串与opad做异或运算，形成结果字符串；

步骤6：再将步骤4的结果附加到步骤5的结果字符串的末尾；

步骤7：将MD5算法作用于步骤6生成的数据流，最终输出结果。

HMAC的安全性依赖于嵌入的Hash函数的同时，也依赖于密钥，密钥的安全性依赖于它的长度和随机性。参考文献《Xiaoyun Wang，Collisions for Hash Functions MD4，MD5，HAVAL-128 and RIPEMD，Crypto'04，http://eprint.iacr.org/2004/199.pdf，2004》，虽然找到了MD5等算法的碰撞，字符串S1和S2不同但它们形成的MD5值却相同，即发生了“碰撞”，但是MD5算法本身依然是不可逆的，仍然可以用来加密。同时，即使找到了Hash函数的碰撞，如果无法破解密钥，也不能对HMAC进行有效的攻击（参考文献《Mihir Bellare.Attacks on SHA-1. http://www. openauthentication，org，2005-3-20》）。因此，在保证密钥安全性的前提下，HMAC要比单一的Hash函数具有更高的安全性（参考文献《于华章.HMAC算法安全性分析. 计算机安全，2005 (7): 53-57》）。

国家电网现行的编码体系有多种，我们列举了电力物资实物ID编、配送车辆、检测仪器编码、库存地点编码、仓位编码等在现行编码方式，不同编码体系，会在不同业务系统中的对数据编码的关联，数据信息的衔接等方面产生制约。

基于HMAC-MD5算法，我们对不同的编码体系下的现状编码进行了转化，生成统一的128位哈希序列编码，转换为16进制后为32位。同时，对同一编码的内容，采用两种不同的密钥进行了对比，产生完全不同的哈希序列。在实际运用过程中，可以采用“伪随机序列”等方法生成密钥（参考文献《肖国镇，梁传甲，王育民. 伪随机序列及其应用[M]. 北京: 国防工业出版社. 1985.3》），通过安全的密钥协商机制、密钥的更新等方式保障其安全性。

表1-2基于HMAC-MD5算法各类编码示例

在建设泛在电力物联网的要求下，我们可以预见，包括电力物资在内的各类车辆、仪器、设备的赋码需求可能会出现爆炸式增长。传统的编码体系，将不足以应对如此庞大的物资数量，而128位的哈希序列最大地址个数为2128，据说可以为全世界的每一粒沙子编上一个地址，完全可以满足对电力物资，甚至是整个电力系统中所有要素的唯一编码。

由于哈希算法具有压缩信息的特点，采用哈希算法的编码方式，可以让编码本身携带更多的数据，实现物资全寿命周期的信息维护。同时，采用基于哈希算法的编码方式，在保障信息安全、海量数据处理等方面具有重要的意义。

实施例2：

一种基于HMAC-MD5算法的编码方式产生的编码与IPv6地址的融合方式，而IPv6地址包括全球网络标识符、本地子网标识符、主机标识符，所述主机标识符包括基于HMAC-MD5算法的编码方式产生的编码。

IPv6是英文“Internet Protocol Version 6”（互联网协议第6版）的缩写，是互联网工程任务组（IETF）设计的用于替代IPv4，成为下一代互联网的基础通信协议[13]。

IPv6的文本表示法也与RFC5952[14]中确定，IPv6地址通常使用冒号十六进制形式表示，即x:x:x:x:x:x:x:x，每个x都以16进制表示一个16位长的整数，且里面的字母用小写表示。其中包括48位的全球网络标识符、16位的本地子网标识符、64位的主机标识符，后48位的主机标识符一般是由设备的MAC地址自动生成。IPv6协议定义的地址格式见下表1-3。

表1-3 IPv6协议定义的地址格式

48位	16位	64位
			Global ID	Subnet ID	Interface ID

随着物联网技术的兴起和发展，众多学者对IPv6在物联网感知层的应用进行了大量的研究（参考文献《王迪. 基于位置信息的6LoWPAN网络IPv6地址配置机制的研究[D]. 郑州大学，2017》、《孙付龙. 移动自组网IP地址自动配置协议的研究[D]. 青岛理工大学，2014》、《Talipov E，Shin H，Han S，et al. A lightweight stateful addressautoconfiguration for 6LoWPAN[J]. Wireless Networks，2011，17(1): 183-197》、《Wang X, Qian H. Hierarchical and low-power IPv6 address configuration forwireless sensor networks[J]. International Journal of Communication Systems,2012, aop(aop): 0-0》）。而运用哈希算法在IPv6的地址生成、地址安全等方面的研究，也取得了丰硕的成果（参考文献《Aura T. Cryptographically Venerated Addresses(CVA). RFC 3972, March 2005》、《Bagnulo M， Arkko J. Cryptographically VeneratedAddresses (CVA) Extension Field Format. RFC 4581， October 2006》、《Bagnulo M.Hash-Based Addresses (HBA). RFC 5533，June 2009》）。

泛在电力物联网背景下，将面临物联网设备IP地址不足的问题，IPv6将有机会成为物联网应用的基础网络技术。合理运用IPv6的移动性、快速响应、设备安全、端到端的IP链接能力，才能真正开启泛在电力物联网的大门。

如图2所示为基于HMAC-MD5算法的编码与IPv6的融合方式，在对IPv6地址分配的研究中，一般针对后64位的进行设计和定义，上述基于HMAC-MD5算法的编码方式产生的编码加入了密钥，而融合了带密钥的哈希值生成的IPv6地址，具有更好的抗攻击能力

在国家电网全力推进泛在电力物联网建设的背景下，本发明提出了基于HMAC-MD5算法的全新的电力物资编码方式，以及与IPv6结合的可能性。本发明侧重于对改变传统电力物资编码方式的研究，促进泛在电力物联网感知层的数据采集共享、数据互联互通，为电力物资管理提供新的思路和方向，也为泛在电力物联网的基础建设提供支撑。

文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种基于哈希算法的电力物资编码优化方法，运用基于MD5消息摘要算法基础上构造而成的HMAC-MD5算法，HMAC-MD5算法将密钥与消息数据混合，使用哈希函数对混合结果进行哈希计算，将所得哈希值与密钥混合，然后再次应用哈希函数；

HMAC-MD5接受任何大小的密钥，并生成长度为128位的哈希序列；

HMAC-MD5算法的描述如下：

HMAC（K，M）=H（K⊕opad‖H（K⊕ipad‖M））；

K：密钥；M：消息内容；H：散列函数，该散列函数选取MD5；

opad和ipad：分别是由若干个0x5c和0x36组成的字符串；

⊕：异或运算；‖：连接操作。

2.根据权利要求1所述的基于哈希算法的电力物资编码优化方法，其特征在于，所述HMAC-MD5算法的计算过程步骤如下：

步骤1：在密钥K后面添加0来创建一个长为B的字符串；

步骤2：将步骤1生成的字符串与ipad做异或运算，形成结果字符串；

步骤3：将消息M的数据流附加到步骤2的结果字符串的末尾；

步骤4：将MD5算法作用于步骤3生成的数据流；

步骤5：将步骤1生成的字符串与opad做异或运算，形成结果字符串；

步骤6：再将步骤4的结果附加到步骤5的结果字符串的末尾；

步骤7：将MD5算法作用于步骤6生成的数据流，最终输出结果。

3.根据权利要求1所述的基于哈希算法的电力物资编码优化方法，其特征在于，HMAC的安全性依赖于嵌入的Hash函数，同时也依赖于密钥，密钥的安全性依赖于它的长度和随机性。

4.根据权利要求1所述的基于哈希算法的电力物资编码优化方法，其特征在于，基于HMAC-MD5算法，对不同的编码体系下的现状编码进行了转化，生成统一的128位哈希序列编码，转换为16进制后为32位；同时，对同一编码的内容，采用两种不同的密钥进行对比，产生完全不同的哈希序列。

5.根据权利要求4所述的基于哈希算法的电力物资编码优化方法，其特征在于，采用伪随机序列的方法生成密钥，通过安全的密钥协商机制、密钥的更新方式保障其安全性。

6.一种基于HMAC-MD5算法的编码方式产生的编码与IPv6地址的融合方式。

7.根据权利要求6所述的基于HMAC-MD5算法的编码方式产生的编码与IPv6地址的融合方式，其特征在于，所述IPv6地址包括全球网络标识符、本地子网标识符、主机标识符，所述主机标识符包括基于HMAC-MD5算法的编码方式产生的编码。

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