如何提高智能電網(wǎng)端點安全性

摘要：電表和傳感器通常分散在遠離電力公司視線范圍地方，本文討論提高這些智能電網(wǎng)端點安全性的各種技術(shù)。既考慮了傳統(tǒng)的物理和邏輯攻擊，也考慮了可能滲入供應(yīng)鏈的聯(lián)合攻擊手段，這些攻擊會對電力公司的電表部署構(gòu)成嚴重威脅。防范這些攻擊的安全技術(shù)已經(jīng)在金融支付行業(yè)得到成功應(yīng)用，能夠可靠用于智能電網(wǎng)保護。

隨著世界各國競相部署智能化的輸電系統(tǒng)，如何保障這些系統(tǒng)的安全成為重要課題。盡管專門針對智能電網(wǎng)安全保護的標準寥寥無幾，但電力公司已經(jīng)開始在系統(tǒng)部署初期大做文章——配備IT系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)收集和分析，采用先進的通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，利用端點（如智能電表）和電網(wǎng)健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)生成原始數(shù)據(jù)。雖然安全問題在最近幾年已經(jīng)成為廣泛關(guān)注的問題，但仍然存在許多工作有待完成，尤其是“端點”保護，例如：電表和電網(wǎng)傳感器的安全保護。本文概要介紹這些端點所面臨的威脅，以及應(yīng)對這些威脅的安全技術(shù)。

圖1. 智能電網(wǎng)模型——電力公司通過通信網(wǎng)絡(luò)從端點收集數(shù)據(jù)

安全威脅

毫無疑問，智能電網(wǎng)面臨的安全隱患有很多種，但大致可分為兩大類。第一類為個體攻擊，指攻擊者的目標是智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)，以獲得自身利益——例如：竊取電費，或隱瞞違禁藥物的生產(chǎn)等。個體攻擊的目的并非擾亂電網(wǎng)管理，僅僅是為了獲得某一個體或團體的利益。

第二類攻擊指的是對社會構(gòu)成威脅的活動，包括試圖破壞電網(wǎng)運行的活動。這可能是對電網(wǎng)本身的攻擊（大區(qū)域誤報能耗，造成整個電網(wǎng)的資金鏈緊張）；也可能是對社會的攻擊（例如：恐怖分子襲擊），造成電網(wǎng)癱瘓，用戶斷電。發(fā)生斷電時，生產(chǎn)和金融損失將無可估量，特別是在極熱、極冷氣候下，還會對人類的生命安全構(gòu)成威脅。

薄弱環(huán)節(jié)

攻擊者通常會縱觀整個電網(wǎng)，并設(shè)法確定實施攻擊的最佳位置，以便以最少投資和最低風險達到預(yù)期結(jié)果。我們可以簡單考察一個“電力中心—端點”的模型，考慮兩種情況下的攻擊者如何達到目的。

個體威脅：以希望減免電費的黑客為例，攻擊者可能混進電力公司控制室，更改其電表記錄，從而達到目的；他也可能攔截數(shù)據(jù)，截取發(fā)送給電力公司的能耗信息；或者直接篡改電表固件，使其降低耗電量的記錄。

社會威脅：以希望破壞絕大多數(shù)用戶供電鏈的恐怖分子為例，攻擊者可能混進電力控制室，遠程斷開大量電表，或關(guān)閉某個變電站的供電。攻擊者也可能向通信總線注入指令執(zhí)行類似動作；或者控制電表，使其直接從遠端斷開繼電器；也可能控制傳感器向電力公司反饋錯誤數(shù)據(jù)，造成電力控制中心的誤判和錯誤操作。

從簡單模型可以看出所存在攻擊通路，整個電網(wǎng)的絕大部分環(huán)節(jié)（電力公司控制室、通信網(wǎng)絡(luò)、端點）都可實施上述攻擊行為。提高系統(tǒng)的整體安全性會對三個環(huán)節(jié)提供安全防護，但實際操作時要求我們識別并定位最薄弱的環(huán)節(jié)。這也正是攻擊者所采取的措施——找到最容易的入侵點（智能電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)）實施攻擊。

試想攻擊者可能如何看待當前的三個主要環(huán)節(jié)。成功入侵電力公司控制室能夠最大程度地控制電網(wǎng)，但所承受的風險也最高。控制室必定防護嚴密，具有良好的訪問權(quán)限控制，同時還具有安全認證流程。此外，入侵者在控制室也很難藏身——即使保安人員沒有抓住闖入者，監(jiān)控攝像頭也會記錄下來。當然，內(nèi)部人員能夠最有效地從電力控制中心攻擊整個電網(wǎng)，但由于電力部門規(guī)程嚴格限制了個人權(quán)限，任何個人都不可能運行威脅電網(wǎng)運轉(zhuǎn)的操作，此類操作通常需要多人同時到場實施，從而簡單了內(nèi)部人員作案的風險。

這樣，攻擊者的第二個選擇必然是通信鏈路，迄今為止，關(guān)于智能電網(wǎng)安全性的多數(shù)話題都集中在通信鏈路，大多數(shù)系統(tǒng)部署也都采用了嚴格的加密技術(shù)，以保護智能電網(wǎng)端點與電力中心之間數(shù)據(jù)和命令傳輸。為了成功攻擊通信通道，必須獲取安全密匙或認證密匙。而可靠的通信協(xié)議都不會共用密匙，意味著攻擊者只能（1）從電力公司或端點獲取密匙；或者（2）對通道的加密/認證機制實施暴力攻擊。注意，選項1實際上并非攻擊通道本身，而是攻擊電網(wǎng)的其它部件。暴力攻擊（選項2）也不大可能得到結(jié)果。常見的加密算法，例如AES-128，以暴力方式攻擊，計算方面是不可行的，這意味著超高速計算機需要運行若干年，甚至幾十年的時間才能獲取密鑰，遠遠長于數(shù)據(jù)本身有效期限。

于是攻擊者將轉(zhuǎn)向智能電網(wǎng)端點本身：諸如智能電表或電網(wǎng)健康狀況監(jiān)測傳感器等裝置。此類裝置的吸引力更大，因為端點保護措施相對薄弱，大范圍分散在室外，或者安裝在遠距離傳輸線上。我們可將諸如數(shù)據(jù)集中器之類的裝置考慮在內(nèi)，因為此類設(shè)備往往也沒有保護措施。這些薄弱點為攻擊者分析和嘗試不同的攻擊方法提供了可乘之機。的確，這些端點帶電，難以觸及（例如在高聳的傳輸線上），具有潛在危險。但攻擊者完全可以利用一些防護措施，避免人員傷害。表面上看，像電表這樣的端點最容易使攻擊者得逞。但對手如何實施攻擊呢？

攻擊已安裝的電表

以下討論適用于智能電網(wǎng)上具有通信功能的任何端點，但為討論方便，我們以智能電表為例。

對于個體攻擊，攻擊者將窮其所能對電表實施攻擊。其目的可能是更改電流檢測裝置，使其檢測耗電量更少；或者對電表軟件實施逆向工程，使其報告的耗電數(shù)更少。

社會攻擊可能以類似方式入手：攻擊者研究電表，試圖了解其工作原理。其目的是希望析取密匙、對軟件協(xié)議實施逆向工程，以及重新設(shè)置電表。一旦得手，攻擊者可對大量電表重新配置，降低其實報耗電量，或在指定日期和時間同時斷開。

面對此類威脅，如何保障智能電網(wǎng)端點的安全呢？市場上可供使用的嵌入式安全技術(shù)（例如，廣泛用于金融交易和政府機構(gòu)的安全處理器），能夠很好地抵御個體電表的攻擊。這類安全技術(shù)集成了物理攻擊（強行控制）偵測或嵌入式系統(tǒng)、邏輯攻擊（分析嵌入式系統(tǒng)存儲器、應(yīng)用程序或協(xié)議）偵測的方法。

具有物理攻擊檢測機制的嵌入式系統(tǒng)能夠檢測系統(tǒng)隱患。這些產(chǎn)品采用物理傳感器，例如，檢測器件外殼被打開的開關(guān)、運動傳感器及環(huán)境傳感器等。一旦偵測到攻擊操作，電表可采取相應(yīng)措施，例如：嘗試聯(lián)系電力中心，甚至刪除安全密匙（刪除密匙要比泄露給攻擊者更好）。

有些邏輯偵測技術(shù)也可用于抵御電表的攻擊，對安全存儲器加鎖或加密，使攻擊者難以讀取軟件或?qū)ζ鋵嵤┠嫦蚬こ獭０踩b載器在生產(chǎn)過程中鎖定器件，確保攻擊者不能在電表上裝載未經(jīng)授權(quán)的軟件。

安全部署電表也可以在一定程度上防范社會攻擊。電表采用唯一密匙，攻擊者即使獲得一個電表的密匙，也不會影響其它電表的安全。如果竊取單個密匙非常困難（采用上述物理和邏輯保護措施），就增加了社會威脅攻擊大量安裝電表的難度。

攻擊供應(yīng)鏈

一些現(xiàn)有的嵌入式安全技術(shù)可以降低電表及智能電網(wǎng)遭受社會攻擊的風險。然而，我們必須考慮除此之外的攻擊手段，并確保設(shè)備在整個使用期限內(nèi)的安全。

無論外包，還是內(nèi)部制造，生產(chǎn)環(huán)節(jié)非常容易發(fā)生剽竊（即使現(xiàn)場制造?。?，也是最容易竊取知識產(chǎn)權(quán)的環(huán)節(jié)。這種環(huán)境下，開發(fā)IP可能被偷竊用于逆向工程分析，甚至在產(chǎn)品中安裝新的危險IP。

一些頑固的攻擊者可對電表軟件實施逆向工程，然后安裝病毒，在設(shè)定日期和時間遠程斷開、關(guān)閉電表通信、擦除內(nèi)部存儲器。攻擊者可在制造過程中更換IP。后果將是災(zāi)難性的——導(dǎo)致一次部署的數(shù)百萬支電表在指定時間全部斷電。需要數(shù)周或數(shù)月的時間維修或更換電表，費用龐大。

嵌入式安全產(chǎn)品可利用安全引導(dǎo)裝載程序、安全存儲器及使用期限管理等功能降低風險。安全引導(dǎo)裝載程序可以裝載加密電表軟件，電表設(shè)計者或軟件設(shè)計者將加密程序發(fā)送到生產(chǎn)線，系統(tǒng)微控制器中的安全引導(dǎo)裝載程序可解密和儲存應(yīng)用程序。安全存儲器（內(nèi)部或外部）也可儲存加密應(yīng)用程序代碼，使應(yīng)用程序內(nèi)容既不可讀，也不可逆向工程或復(fù)制。使用期限管理功能可用于驗證實際供應(yīng)鏈。硅制造商可鎖定器件，只允許某個客戶解鎖和安裝代碼；電表OEM可鎖定其電表，只有指定的電力公司解鎖和安裝。隨著供應(yīng)鏈安全措施的增多，通過電表實現(xiàn)社會攻擊的機會得到抑制。

解決方案？

很難找到十全十美的智能電網(wǎng)安全方案，因為這種方案需要耗費的時間和費用也是無限的。但是，利用已普遍用于金融交易和政府機構(gòu)的安全技術(shù)，能夠為智能電網(wǎng)的嵌入式端點提供更高水平的物理和邏輯防護。

這里所介紹的攻擊及應(yīng)對措施并不僅限于智能電網(wǎng)的安全漏洞，在考慮智能電網(wǎng)所面臨的威脅時，需要密切關(guān)注電表這樣的嵌入式端點。一旦電表及其它端點得到多層安全防護，攻擊者將不得不另尋出路。