纵向加密项目的核心：IEC 60870-5-104协议加密机制
在电力系统二次防护中，纵向加密项目是实现调度中心与变电站之间安全通信的关键。其核心在于对IEC 60870-5-104（简称IEC 104）协议进行深度加密处理。IEC 104协议广泛应用于电力监控系统，用于传输遥测、遥信等实时数据，但原始协议缺乏内置安全机制，易受中间人攻击和数据篡改。纵向加密装置通过引入加密算法，如AES-256或SM4国密算法，对协议报文进行端到端加密。具体而言，装置在应用层与传输层之间插入安全模块，对IEC 104的APDU（应用协议数据单元）进行加密封装，确保数据在传输过程中的机密性和完整性。这要求装置支持协议解析和重构，以兼容现有系统，同时避免影响实时性——通常加密延迟需控制在毫秒级以内。
硬件安全模块（HSM）在纵向加密中的架构与作用
纵向加密项目的安全性不仅依赖于软件算法，更离不开硬件安全模块（HSM）的支撑。HSM是一种专用硬件设备，用于安全存储密钥和执行加密运算，防止密钥泄露和侧信道攻击。在电力系统纵向加密认证装置中，HSM通常基于FPGA或ASIC架构设计，集成真随机数生成器（TRNG）和物理防篡改机制。其架构包括：
- 密钥管理单元：负责生成、存储和销毁对称密钥（如AES密钥）和非对称密钥（如RSA或SM2密钥），支持密钥生命周期管理。
- 加密引擎：硬件加速AES/SM4等算法，提升处理效率，满足电力系统高吞吐量需求（如每秒数千个报文）。
- 安全启动与固件验证：确保装置启动时加载未经篡改的固件，防止恶意代码注入。
纵向加密认证中的双向认证与密钥协商协议
为确保通信双方的身份可信，纵向加密项目必须实现双向认证机制。这通常基于公钥基础设施（PKI）或预共享密钥（PSK）方案。以PKI为例，装置内置数字证书（如X.509格式），在建立连接时执行TLS/DTLS或定制协议进行握手。过程包括：
- 证书交换与验证：双方交换证书，通过CA根证书链验证身份，防止伪装攻击。
- 密钥协商：使用Diffie-Hellman（DH）或椭圆曲线DH（ECDH）算法生成会话密钥，确保前向安全性——即使长期密钥泄露，历史通信仍无法解密。
- 消息认证码（MAC）：对加密后的IEC 104报文附加HMAC或基于SM3的MAC，验证数据完整性。