來(lái)源：中國(guó)電力

編者按

電力智能傳感器用于采集電力生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的電氣量、物理量、環(huán)境量、狀態(tài)量和行為量等信息，搭建了物理電力系統(tǒng)到信息物理融合系統(tǒng)間的橋梁，是實(shí)現(xiàn)電力數(shù)字化和能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，電力智能傳感器及傳感網(wǎng)已成為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，廣泛分布在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)。國(guó)家電網(wǎng)有限公司2019年至今啟動(dòng)了輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)、配電物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字站物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模建設(shè)，感知層設(shè)備均以無(wú)線傳感器為主。輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)感知層通過(guò)符合國(guó)家電網(wǎng)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微功率無(wú)線傳感器和低功耗無(wú)線傳感器采集物理量、環(huán)境量和狀態(tài)量等信息；數(shù)字站物聯(lián)網(wǎng)在輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，新增視頻監(jiān)控、移動(dòng)巡檢等寬帶無(wú)線傳感器實(shí)現(xiàn)行為量信息采集；配電物聯(lián)網(wǎng)除通過(guò)窄帶無(wú)線傳感器采集環(huán)境量、狀態(tài)量信息外，還考慮了基于高速載波和高速無(wú)線雙模通信模塊采集電氣量信息。

《中國(guó)電力》2023年第11期刊發(fā)了安春燕等人撰寫的《電力智能傳感器及傳感網(wǎng)安全防護(hù)技術(shù)》一文。文章首先分析電力智能傳感器及傳感網(wǎng)安全需求、建立安全技術(shù)體系，接著歸納總結(jié)物理環(huán)境、通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算環(huán)境安全關(guān)鍵技術(shù)，最后提出技術(shù)發(fā)展建議，為構(gòu)建安全、可靠的能源電力數(shù)據(jù)基座提供支撐。

摘要

電力智能傳感器及傳感網(wǎng)安全研究處于起步階段，資源受限及應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)缺乏低壓供電導(dǎo)致對(duì)安全開銷極其敏感，用戶側(cè)廣泛部署更易遭受側(cè)信道等物理攻擊，利用感知機(jī)理或數(shù)據(jù)處理算法發(fā)起的新型攻擊日漸增多。針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)、業(yè)務(wù)特征、設(shè)備能力及行業(yè)現(xiàn)狀，分析電力智能傳感器及傳感網(wǎng)安全需求，構(gòu)建安全技術(shù)體系，歸納總結(jié)電力智能傳感器具備特殊需求的感知安全、存儲(chǔ)安全、輕量級(jí)加密、身份認(rèn)證、代碼安全和固件安全等技術(shù)研究現(xiàn)狀，提出發(fā)展建議，為構(gòu)建安全、可靠的能源電力數(shù)據(jù)基座提供支撐。

01安全需求

電力智能傳感器及傳感網(wǎng)結(jié)合設(shè)備分布及業(yè)務(wù)特征，安全需求歸納如下。

1）物理獲取難度低，亟須傳感器及傳感網(wǎng)自身具備安全防范能力。電力智能傳感器通常隨電力線/設(shè)備部署，遍布發(fā)/輸/配/變/用電區(qū)域。尤其是位于低壓配用電側(cè)的傳感器及傳感網(wǎng)，攻擊者極易物理靠近或獲取。這將導(dǎo)致傳統(tǒng)通過(guò)隔離、邊界防護(hù)或管理手段實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)的收效甚微。

2）資源受限較嚴(yán)重，亟需輕量級(jí)安全防護(hù)技術(shù)。電力智能傳感器現(xiàn)場(chǎng)部署環(huán)境復(fù)雜，多采用電池或自取能供電，對(duì)功耗要求極其嚴(yán)格。環(huán)境量和狀態(tài)量傳感器處理器主頻通常小于100 MHz、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）資源多為64 KB或128 KB、通信速率通常小于100 kbps，大部分現(xiàn)有安全防護(hù)技術(shù)無(wú)法直接應(yīng)用。

3）誤警核驗(yàn)成本高，亟須防止虛假數(shù)據(jù)注入。電力智能傳感器通常用于提前發(fā)現(xiàn)故障并預(yù)警，變被動(dòng)檢修為主動(dòng)運(yùn)維。預(yù)警通常需要人工現(xiàn)場(chǎng)核驗(yàn)和巡檢，誤警會(huì)極大增加電網(wǎng)運(yùn)維成本。與此同時(shí)，惡意注入的“對(duì)抗樣本”會(huì)導(dǎo)致電力智能化系統(tǒng)做出錯(cuò)誤的決策。須要保障入網(wǎng)電力智能傳感器固件和軟件代碼安全，無(wú)惡意代碼、漏洞及病毒潛伏，且對(duì)入網(wǎng)傳感器進(jìn)行身份認(rèn)證并支持?jǐn)?shù)據(jù)溯源。

4）單點(diǎn)數(shù)據(jù)價(jià)值低，但須防止數(shù)據(jù)規(guī)模泄露。電力智能傳感器通常用于監(jiān)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境，獲取單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)可產(chǎn)生的價(jià)值較低。然而，若獲取某個(gè)區(qū)域內(nèi)隨線/設(shè)備全部傳感器的數(shù)據(jù)，則可能基于大數(shù)據(jù)技術(shù)推算出電網(wǎng)運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)或挖掘出新的價(jià)值體系，進(jìn)而帶來(lái)不可控的安全風(fēng)險(xiǎn)。

5）短數(shù)據(jù)包占比高，對(duì)安全開銷更敏感。環(huán)境量和狀態(tài)量傳感器業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度多為4~6字節(jié)，若采用密鑰長(zhǎng)度為128位的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（advanced encryption standard，AES），電子密碼本模式下輸出為16字節(jié)，加密開銷為160%~300%。

02安全體系

電力智能傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)信息通信終端時(shí)應(yīng)參考文獻(xiàn)[6-12]等國(guó)家及電力公司安全防護(hù)規(guī)定。然而，電力智能傳感器同時(shí)也是感知終端，目前缺乏對(duì)其感知部分的安全防護(hù)要求。此外，電力智能傳感器具備一定的計(jì)算能力，但不具備邊緣計(jì)算能力，若參照文獻(xiàn)[9]中不具備邊緣計(jì)算能力物聯(lián)網(wǎng)終端防護(hù)要求，仍面臨安全風(fēng)險(xiǎn)。

本文基于電力智能傳感器及傳感網(wǎng)安全需求，重點(diǎn)考慮其作為感知終端及資源受限導(dǎo)致的安全問(wèn)題，構(gòu)建了安全技術(shù)體系，如圖2所示。紅色背景框表示電力智能傳感器及傳感網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特殊需求，是本文重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。

2.1 安全技術(shù)

安全技術(shù)包含提升電力智能傳感器及傳感網(wǎng)安全性的技術(shù)手段。本文參考文獻(xiàn)[6]對(duì)不同級(jí)別系統(tǒng)安全要求的分類方法，沿用通用要求，但重點(diǎn)研究電力智能傳感器因特殊部署環(huán)境、資源受限特性及感知設(shè)備所需的安全技術(shù)。

2.1.1 物理環(huán)境安全

與傳統(tǒng)部署于機(jī)房的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不同，電力智能傳感器部署位置受限于待監(jiān)測(cè)的一次設(shè)備或環(huán)境，無(wú)法應(yīng)用文獻(xiàn)[6]中的物理訪問(wèn)控制、溫濕度控制、防火、電力供應(yīng)等安全措施保障物理環(huán)境安全，但應(yīng)實(shí)現(xiàn)防盜竊和防破壞、防雷擊、防火和防潮等環(huán)境安全；關(guān)閉多余接口和調(diào)試接口等，實(shí)現(xiàn)接口安全。其次，電力智能傳感器兼具感知和通信功能，其作為感知設(shè)備的物理安全性（感知安全）也亟須關(guān)注。文獻(xiàn)[13-16]表明：外部激光、電磁、超聲等信號(hào)，均可能影響感知數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)智能傳感器及傳感網(wǎng)所承載業(yè)務(wù)系統(tǒng)的安全性帶來(lái)威脅。最后，電力智能傳感器物理易獲取，其內(nèi)暫存的采集數(shù)據(jù)、密鑰等關(guān)鍵信息的存儲(chǔ)安全也亟須關(guān)注。

2.1.2 通信網(wǎng)絡(luò)安全

傳統(tǒng)電力信息通信設(shè)備通常配置硬件安全芯片，支持身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密和校驗(yàn)等功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和真實(shí)性。然而，電力智能傳感器對(duì)功耗要求極其嚴(yán)格，通常僅包含1顆低功耗通信芯片，或者1顆低功耗主控芯片和1顆低功耗射頻芯片，集成硬件安全芯片易導(dǎo)致功耗加倍、壽命減半。尤其是環(huán)境量和狀態(tài)量傳感器主頻較低且存儲(chǔ)空間較小，對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)安全技術(shù)的開銷極其敏感，能運(yùn)行在傳感器上的輕量級(jí)安全技術(shù)亟須關(guān)注。

此外，部分電力智能傳感器承載采集、控制等業(yè)務(wù)，采集時(shí)間與采集數(shù)據(jù)同等重要。文獻(xiàn)[3]總結(jié)了針對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)終端的時(shí)間攻擊及檢測(cè)方法。時(shí)間同步安全也是電力智能傳感器及傳感網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通信安全之一。

2.1.3 區(qū)域邊界安全

電力智能傳感器及傳感網(wǎng)涉及的區(qū)域邊界包括3項(xiàng)：1）電力智能傳感器及傳感網(wǎng)與骨干網(wǎng)絡(luò)之間的邊界，即縱向邊界；2）接入不同安全大區(qū)電力智能傳感器之間的邊界；3）不直接接入安全大區(qū)的傳感器與直接接入安全大區(qū)傳感器之間的邊界。

參照文獻(xiàn)[9]，縱向邊界處根據(jù)實(shí)際需求單獨(dú)配置安全接入網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)絡(luò)隔離裝置，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的邊界防護(hù)、訪問(wèn)控制、入侵防范和安全審計(jì)功能。考慮成本和部署要求，不鼓勵(lì)接入不同安全大區(qū)電力智能傳感器在感知層互通。不直接接入安全大區(qū)的傳感器與直接接入安全大區(qū)傳感器間互通時(shí)，應(yīng)參照接入安全大區(qū)傳感器的安全需求，進(jìn)行身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密，即2.1.2節(jié)所述的輕量級(jí)安全技術(shù)。

2.1.4 計(jì)算環(huán)境安全

電力智能傳感器及傳感網(wǎng)設(shè)備作為傳統(tǒng)信息設(shè)備，需要對(duì)訪問(wèn)其數(shù)據(jù)的用戶或設(shè)備進(jìn)行身份鑒別，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性、備份恢復(fù)等數(shù)據(jù)保護(hù)。與此同時(shí)，受傳感器產(chǎn)業(yè)鏈、成本及開發(fā)周期限制，相較傳統(tǒng)信息設(shè)備，電力智能傳感器代碼安全和固件安全問(wèn)題更突出。

2.2 評(píng)測(cè)技術(shù)

評(píng)測(cè)技術(shù)通過(guò)測(cè)試手段發(fā)現(xiàn)電力智能傳感器隱藏的安全問(wèn)題，進(jìn)而保證入網(wǎng)傳感器的安全。評(píng)測(cè)技術(shù)包括入網(wǎng)評(píng)測(cè)和運(yùn)行評(píng)測(cè)2種。鑒于電力智能傳感器數(shù)量大且分布廣泛，運(yùn)行評(píng)測(cè)實(shí)施相對(duì)困難，建議做好入網(wǎng)評(píng)測(cè)。

入網(wǎng)安全評(píng)測(cè)用于驗(yàn)證電力智能傳感器是否具備相關(guān)規(guī)定要求的安全功能以及設(shè)備本身是否存在漏洞、后門等安全缺陷。國(guó)內(nèi)外針對(duì)傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備漏洞和后門檢測(cè)開展了大量研究，安全評(píng)測(cè)方法相對(duì)成熟。然而，無(wú)論是靜態(tài)分析方法還是動(dòng)態(tài)分析方法，大多通過(guò)快速查找并匹配漏洞數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)漏洞檢測(cè)。電力智能傳感器大多基于高級(jí)精簡(jiǎn)指令集（ARM）架構(gòu)及嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，且部分設(shè)備不支持TCP/IP協(xié)議，其漏洞庫(kù)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備有較大不同。電力智能傳感器入網(wǎng)安全評(píng)測(cè)處于研發(fā)的初始階段，尚無(wú)專用漏洞數(shù)據(jù)庫(kù)，沒(méi)有豐富的測(cè)試樣本用于分析，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注測(cè)試樣本積累和漏洞數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建。

03物理環(huán)境安全

3.1 感知安全

感知安全是保障電力智能傳感器測(cè)量中的“聲-電”“光-電”“磁-電”和“熱-電”轉(zhuǎn)換過(guò)程不受外界惡意激光、磁場(chǎng)和超聲等信號(hào)影響的技術(shù)和手段。

目前針對(duì)感知安全的研究側(cè)重于重現(xiàn)攻擊過(guò)程。文獻(xiàn)[13]通過(guò)對(duì)超聲傳感器進(jìn)行欺騙攻擊和擁塞攻擊，致使特斯拉Model S自動(dòng)駕駛在正常行駛過(guò)程中剎車或者在有障礙物時(shí)仍正常行駛。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一種針對(duì)語(yǔ)音助手的聲音傳感器攻擊工具，利用麥克風(fēng)電路的非線性特性，將經(jīng)過(guò)調(diào)制的低頻語(yǔ)音命令通過(guò)超聲波注入語(yǔ)音助手中，實(shí)現(xiàn)無(wú)聲控制。文獻(xiàn)[15]通過(guò)調(diào)幅激光信號(hào)實(shí)現(xiàn)了2款商用基于壓阻效應(yīng)的MEMS壓力傳感器輸出數(shù)據(jù)的篡改，且0.5 mW的激光功率將帶來(lái)±100 kPa的輸出誤差。鑒于智能設(shè)備所有操作均會(huì)影響中央處理器（CPU）的功耗，并伴隨一定程度的電磁輻射，文獻(xiàn)[16]利用CPU電磁輻射實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備行為分析，如啟動(dòng)的應(yīng)用或執(zhí)行的操作等。

3.2 存儲(chǔ)安全

傳感器數(shù)據(jù)采集頻率通常大于數(shù)據(jù)上傳頻率，部分采集數(shù)據(jù)須在傳感器端暫存。隨著電力智能傳感器數(shù)據(jù)加密需求的不斷提升，端側(cè)密鑰存儲(chǔ)安全性也亟須關(guān)注。側(cè)信道攻擊利用芯片正常工作時(shí)伴隨的功耗、電磁、熱、聲等非預(yù)期信號(hào)泄露，竊取關(guān)鍵隱私信息，是當(dāng)前硬件安全的重要威脅來(lái)源之一。文獻(xiàn)[17]詳細(xì)分析了不同側(cè)信道攻擊方法，梳理了典型抗泄漏密碼方案。

在檢測(cè)技術(shù)方面，文獻(xiàn)[18]對(duì)20余種x86架構(gòu)緩存?zhèn)刃诺拦魴z測(cè)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，并將其總結(jié)為3類：基于異常的檢測(cè)、基于特征的檢測(cè)、基于異常+特征的檢測(cè)。電力智能傳感器通常采用ARM處理器，文獻(xiàn)[19]針對(duì)34種ARM設(shè)備進(jìn)行了緩存?zhèn)刃诺拦魷y(cè)試，發(fā)現(xiàn)了88種脆弱性。

在技術(shù)提升方面，文獻(xiàn)[20]研發(fā)了一種能夠抵抗密鑰存儲(chǔ)物理攻擊的64 KB阻變式存儲(chǔ)器（RRAM），不僅能夠?qū)剐酒嫦蛱幚砗惋@微鏡觀察等侵入式物理攻擊，還通過(guò)提供對(duì)稱電源和時(shí)間讀信號(hào)對(duì)抗側(cè)信道攻擊，通過(guò)引入帶有反饋的簡(jiǎn)化寫保護(hù)策略對(duì)抗惡意寫入，通過(guò)片上集成邏輯平臺(tái)對(duì)抗針對(duì)芯片引腳邊界處的數(shù)據(jù)攔截攻擊。文獻(xiàn)[21]提出了一種適用于非易失性存儲(chǔ)器（NVM）的功耗側(cè)信道攻擊消除技術(shù)，利用片內(nèi)電容器和電壓管理器實(shí)現(xiàn)NVM讀/寫操作的供電，消除了傳統(tǒng)存儲(chǔ)陣列和外部電源在讀/寫操作中通過(guò)功耗泄露數(shù)據(jù)漢明權(quán)重的問(wèn)題。文獻(xiàn)[22]基于55 nm的CMOS eFlash實(shí)現(xiàn)了物理不可克隆函數(shù)（PUF）和真隨機(jī)數(shù)的輕量化集成設(shè)計(jì)，可以作為安全原語(yǔ)用于保證存儲(chǔ)安全。

04通信網(wǎng)絡(luò)安全

4.1 感知層通信安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端及感知層網(wǎng)絡(luò)均提出了安全要求，如文獻(xiàn)[7-8]。國(guó)家電網(wǎng)有限公司感知層通信安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括文獻(xiàn)[9-10]。上述標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵和核心是接入鑒別和數(shù)據(jù)傳輸安全，其支撐技術(shù)是身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密。

國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）第57技術(shù)委員會(huì)針對(duì)應(yīng)用于變電站場(chǎng)景的IEC系列電力通信協(xié)議制定了數(shù)據(jù)和通信安全系列標(biāo)準(zhǔn)IEC 62351，重點(diǎn)考慮設(shè)備計(jì)算能力，提出傳輸層和應(yīng)用層安全機(jī)制，安全核心技術(shù)為身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密。

4.2 輕量級(jí)加密

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）、美國(guó)國(guó)家安全局（NSA）、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）以及IEC均積極推動(dòng)適用于資源受限物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的輕量級(jí)加密認(rèn)證技術(shù)。NIST于2018年開始征集輕量級(jí)加密認(rèn)證算法，經(jīng)過(guò)3輪激烈角逐，于2023年2月宣布ASCON系列算法獲勝且將進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。NSA于2013年推出的Simon與Speck加密算法均是專為短數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的分組加密算法，密鑰長(zhǎng)度可低于64 bit，兩者區(qū)別在于Simon著重進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，而Speck著重進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。文獻(xiàn)[23]對(duì)比了39種輕量級(jí)加密算法，結(jié)果表明：Speck和Simon在軟件效率、存儲(chǔ)效率和時(shí)延3方面的性能均居第1名和第2名。ISO/IEC 29192標(biāo)準(zhǔn)組發(fā)布了輕量級(jí)密碼系列標(biāo)準(zhǔn)，其中文獻(xiàn)[24]規(guī)定了3種輕量級(jí)塊加密算法：PRESENT、CLEFIA和LEA。

4.3 輕量級(jí)身份認(rèn)證技術(shù)

文獻(xiàn)[25]指出，物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證協(xié)議應(yīng)能抵抗重放攻擊、中間人攻擊、仿冒攻擊、丟失/竊取攻擊、在線/離線口令猜測(cè)攻擊、內(nèi)部特權(quán)攻擊、物理獲取等安全攻擊。身份認(rèn)證的安全性很大程度上依賴于認(rèn)證因子以及認(rèn)證交互流程的安全性。

身份認(rèn)證因子應(yīng)具有唯一性、不可復(fù)制性、隨機(jī)性（不可預(yù)測(cè)性）和穩(wěn)定性。適用于電力智能傳感器的身份認(rèn)證因子及其安全性如表1所示。設(shè)備ID和數(shù)字證書以數(shù)字形式存儲(chǔ)在認(rèn)證兩端，其穩(wěn)定性極佳。以48位MAC地址為例，受限于實(shí)際應(yīng)用中的地址分配規(guī)則，其唯一性和隨機(jī)性會(huì)大打折扣。此外，為了提高應(yīng)用靈活性，大多設(shè)備支持MAC地址更改，其不可復(fù)制性極差。數(shù)字證書通常由認(rèn)證機(jī)構(gòu)基于設(shè)備自身的一些參數(shù)生成，且單個(gè)認(rèn)證中心的容量通常受限，其唯一性、不可復(fù)制性、隨機(jī)性均一般。硬件指紋是近年來(lái)最受關(guān)注的身份認(rèn)證因子，包括但不限于PUF、射頻指紋等，其物理特性決定了具有非常好的唯一性、不可復(fù)制性和隨機(jī)性。文獻(xiàn)[26]針對(duì)STM32F系列芯片，基于靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）上電初始值提取設(shè)備指紋，測(cè)試表明，片內(nèi)漢明距離約為6%+0.5%，片間漢明距離為46%+3%，設(shè)備指紋的唯一性和隨機(jī)性均很好。但受限于提取條件及外界因素，其穩(wěn)定性通常會(huì)受到一定程度的影響。文獻(xiàn)[27]提出了2種基于Wyner–Ziv的線性編碼重構(gòu)技術(shù)，仿真驗(yàn)證其能夠更好地保護(hù)PUF密鑰協(xié)商過(guò)程中的隱私數(shù)據(jù)、提高存儲(chǔ)速率。

認(rèn)證交互流程的安全性主要指在認(rèn)證交互過(guò)程中是否會(huì)泄露身份認(rèn)證因子、用于重構(gòu)密鑰的敏感信息等。公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）是實(shí)現(xiàn)認(rèn)證交互安全性的主要技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于各類身份認(rèn)證和數(shù)字簽名系統(tǒng)中。PKI依賴于公鑰密碼算法和由第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)放的數(shù)字證書。在該認(rèn)證過(guò)程中，認(rèn)證信息通過(guò)公鑰加密后進(jìn)行傳輸，減少了認(rèn)證過(guò)程中敏感信息泄露的安全風(fēng)險(xiǎn)。然而，該認(rèn)證方法應(yīng)用于電力智能傳感器，則可能存在2方面問(wèn)題：1）存儲(chǔ)安全風(fēng)險(xiǎn)大，電力智能傳感器因計(jì)算和存儲(chǔ)資源限制，難以采用防護(hù)等級(jí)高的硬件安全措施，且廣泛分布在居民區(qū)、低壓線路等易物理獲取的區(qū)域，其內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)宜被竊??；2）證書管理難度高，隨著電網(wǎng)智能化程度的不斷提高，電力智能傳感器數(shù)量將呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這對(duì)權(quán)威機(jī)構(gòu)設(shè)置、證書管理、證書下載和驗(yàn)證均提出了很大的挑戰(zhàn)。

基于白名單的身份認(rèn)證技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且?guī)缀醪唤o終端設(shè)備帶來(lái)通信、計(jì)算和存儲(chǔ)開銷。然而，白名單中存儲(chǔ)的終端設(shè)備ID通常是終端設(shè)備的MAC地址。隨著技術(shù)的發(fā)展，終端設(shè)備MAC地址極易重新配置，且?guī)缀跛芯W(wǎng)絡(luò)將MAC地址以明文方式嵌入數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。惡意攻擊者極易通過(guò)監(jiān)聽等方式獲取合法終端設(shè)備的MAC地址并進(jìn)行仿冒攻擊。與此同時(shí)，基于白名單的身份認(rèn)證技術(shù)通常為單向認(rèn)證，惡意攻擊者通過(guò)偽裝成網(wǎng)關(guān)等設(shè)備獲取合法終端設(shè)備的相關(guān)信息。

近年來(lái)，學(xué)術(shù)界對(duì)基于PUF技術(shù)的認(rèn)證方案及其安全性開展了大量研究。文獻(xiàn)[28]提出了一種基于PUF的雙向認(rèn)證方法。文獻(xiàn)[29]提出了一種基于PUF的多跳個(gè)域網(wǎng)輕量級(jí)身份認(rèn)證方法。為了進(jìn)一步提高認(rèn)證協(xié)議的安全性，文獻(xiàn)[30]將PUF與基于瞬時(shí)ID和密鑰的認(rèn)證方法相結(jié)合，提出一種雙因子的身份認(rèn)證方法。隨著Maxim等半導(dǎo)體公司、清華大學(xué)PUF芯片的推出，基于PUF技術(shù)的身份認(rèn)證方法具備了大規(guī)模應(yīng)用的可能。

05計(jì)算環(huán)境安全技術(shù)

5.1 代碼安全

已有調(diào)查顯示，96.8%的開發(fā)人員使用開源軟件、99%的組織在其系統(tǒng)中應(yīng)用了開源軟件。然而開源軟件的廣泛應(yīng)用在提高開發(fā)效率的同時(shí)也引入一些安全風(fēng)險(xiǎn)。

1）安全漏洞。文獻(xiàn)[33]于2022年4月對(duì)539個(gè)開源軟件項(xiàng)目的調(diào)查結(jié)果顯示：平級(jí)每個(gè).Net、Go、Java、JavaScript和Python項(xiàng)目漏洞個(gè)數(shù)分別是23、34、92、47和46。奇安信代碼安全實(shí)驗(yàn)室于2019年針對(duì)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備固件中引用的開源軟件的檢測(cè)和漏洞分析結(jié)果顯示：86.4%的固件存在至少1個(gè)以上的開源漏洞，88%的項(xiàng)目漏洞是因?yàn)槭褂瞄_源軟件引起的。

2）API誤用。文獻(xiàn)[35]對(duì)GitHub從2011到2018年間發(fā)布的528546個(gè)歷史缺陷修復(fù)文件進(jìn)行了分析，提取了超過(guò)100萬(wàn)個(gè)缺陷修復(fù)編輯操作，其中51.7%為API誤用。文獻(xiàn)[36]針對(duì)6個(gè)不同領(lǐng)域的主流開源C程序中的830個(gè)API誤用問(wèn)題進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[37]發(fā)現(xiàn)83%的密碼學(xué)漏洞是因?yàn)檎`用加密庫(kù)引起的。文獻(xiàn)[38]指出，在Java和Android社區(qū)線上討論密碼學(xué)編程中分別有90%和71%是關(guān)于密碼學(xué)誤用的。

現(xiàn)有技術(shù)主要通過(guò)檢測(cè)方式發(fā)現(xiàn)代碼漏洞和API誤用，檢測(cè)依據(jù)是已知漏洞和API誤用庫(kù)。現(xiàn)有檢測(cè)工具較多，規(guī)模較大的安全公司幾乎均推出了商用檢測(cè)工具，開源工具包括開放Web應(yīng)用程序安全項(xiàng)目（open web application security project，OWASP）依賴性檢查、Eclipse Steady和GitHub安全告警等。文獻(xiàn)[39]測(cè)試了修改開源軟件依賴關(guān)系對(duì)上述3種開源工具以及3種商用漏洞檢測(cè)工具性能的影響，結(jié)果表明6種檢測(cè)工具均無(wú)法應(yīng)對(duì)上述修改。文獻(xiàn)[40]對(duì)JADET、GROUMINER、TIKANGA和DMMC等靜態(tài)API誤用檢測(cè)器性能進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試和評(píng)價(jià)，測(cè)試結(jié)果表明，現(xiàn)有檢測(cè)工具的準(zhǔn)確度和召回率均有待提升，且需要更豐富的測(cè)試?yán)齺?lái)訓(xùn)練檢測(cè)模型。為此，文獻(xiàn)[41]基于雙向長(zhǎng)短時(shí)記憶（Bi-directional long short-term memory，Bi-LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)考慮正向和反向上下文，提高密碼學(xué)誤用檢測(cè)性能。文獻(xiàn)[42]在對(duì)384種API誤用檢測(cè)誤警情況分析基礎(chǔ)上，提出了一系列人工輔助實(shí)例，與當(dāng)前最先進(jìn)的基于實(shí)例的API誤用檢測(cè)工具相結(jié)合，針對(duì)50個(gè)開源Java項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)試，成功阻止了55個(gè)API誤用檢測(cè)誤警。在檢測(cè)自動(dòng)化方面，文獻(xiàn)[43]通過(guò)靜態(tài)分析構(gòu)造API使用規(guī)約訓(xùn)練樣本，基于深度學(xué)習(xí)中的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，通過(guò)對(duì)比語(yǔ)句預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)API誤用問(wèn)題的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)。

5.2 固件安全

文獻(xiàn)[44]通過(guò)網(wǎng)絡(luò)爬蟲搜集了9716個(gè)固件映像和347685個(gè)安全報(bào)告，其中6898個(gè)安全報(bào)告含有12321個(gè)嵌入式設(shè)備固件漏洞，且超過(guò)10%的固件漏洞沒(méi)有發(fā)布升級(jí)補(bǔ)丁。國(guó)家互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急中心2021年2季度共收錄聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備漏洞2365個(gè)，其中通用型漏洞1421個(gè)（智能監(jiān)控平臺(tái)占比13.57%）、事件型漏洞944個(gè)（智能監(jiān)控平臺(tái)占比32.52%）；3季度共收錄聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備漏洞2792個(gè)，其中通用型漏洞1413個(gè)（智能監(jiān)控平臺(tái)占比13.94%）、事件型漏洞1379個(gè)（智能監(jiān)控平臺(tái)占比51.99%）。固件控制設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序及其與外界的交互，已被公認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)中一個(gè)龐大且不斷擴(kuò)大的攻擊面。

與代碼安全相似，現(xiàn)有技術(shù)主要通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)漏洞。根據(jù)文獻(xiàn)[47]，固件檢測(cè)技術(shù)主要分為四大類：基于仿真器的測(cè)試、自動(dòng)代碼分析、基于模糊的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試和人工逆向分析?；诜抡嫫鞯臏y(cè)試能夠避開破壞性測(cè)試對(duì)昂貴設(shè)備帶來(lái)的不可逆損傷，但其需要獲取設(shè)備固件，模擬出固件與外部硬件的交互，測(cè)試環(huán)境建設(shè)工作量大、很多環(huán)節(jié)需要人工干預(yù)，且可擴(kuò)展性較差。自動(dòng)代碼分析源自軟件工程安全，自動(dòng)挖掘代碼屬性，并通過(guò)模式匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)漏洞檢測(cè)，可用于大規(guī)模測(cè)試，但其需要獲取設(shè)備固件，且其檢測(cè)準(zhǔn)確度有待提升?；谀：木W(wǎng)絡(luò)測(cè)試不需要獲取設(shè)備固件及相關(guān)信息，僅需要產(chǎn)生符合待測(cè)試設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包即可，然而現(xiàn)有電力智能傳感器通常不支持IP協(xié)議，通信層面采用國(guó)家電網(wǎng)有限公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議或者私有協(xié)議，需要開發(fā)支持上述協(xié)議的模糊測(cè)試器。人工逆向分析對(duì)測(cè)試工程師和人工投入要求高，通常僅用于分析特殊的設(shè)備或者特定場(chǎng)景。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高檢測(cè)準(zhǔn)確度通常同時(shí)采用多種檢測(cè)方法。如文獻(xiàn)[50]通過(guò)多種開源工具對(duì)固件二進(jìn)制文件代碼進(jìn)行提取和分析，通過(guò)基于模糊的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試完成在線分析，用于盡可能地發(fā)現(xiàn)未知漏洞；最后輔以人工檢查來(lái)消除由設(shè)備自身引起的端口沖突，用于減少固件漏洞誤警率。針對(duì)可用于大規(guī)模檢測(cè)的自動(dòng)代碼分析技術(shù)，學(xué)者們就檢測(cè)準(zhǔn)確性、檢測(cè)效率以及比對(duì)依據(jù)等方面開展了深入研究。文獻(xiàn)[54]提出了一種基于代碼相似性的分步固件漏洞檢測(cè)方法：1）通過(guò)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的嵌入式函數(shù)來(lái)分析不同函數(shù)之間的相似性，用來(lái)提高大規(guī)模檢測(cè)時(shí)的效率；2）通過(guò)細(xì)粒度固件安全分析來(lái)獲得函數(shù)本地調(diào)用流圖的相似性，用來(lái)提高固件漏洞檢測(cè)的準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[55]通過(guò)分析和提取代表性固件函數(shù)特征，構(gòu)建了基于SimHash的固件函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于實(shí)現(xiàn)大量固件函數(shù)的相似性檢測(cè)，并快速定位出本地可疑脆弱函數(shù)。文獻(xiàn)[56]摒棄了傳統(tǒng)代碼特征，關(guān)注于固件代碼基因的信息性（重要性、穩(wěn)定性、抗變異性和遺傳性），通過(guò)計(jì)算代碼之間的基因距離來(lái)實(shí)現(xiàn)相似性檢測(cè)和同源檢測(cè)的定量分析。

06結(jié)論與建議

本文基于當(dāng)前研究現(xiàn)狀，分析了電力智能傳感器及傳感網(wǎng)安全需求，構(gòu)建了安全技術(shù)體系，總結(jié)了安全問(wèn)題及技術(shù)現(xiàn)狀，歸納電力智能傳感器及傳感網(wǎng)安全趨勢(shì)和發(fā)展建議如下。

1）作為感知設(shè)備，電力智能傳感器感知安全亟須關(guān)注，須綜合考慮傳感器工作原理、結(jié)構(gòu)特征、工作環(huán)境、硬件選型和軟件算法等多種因素，提出綜合性解決方案。

2）易于物理接近，存儲(chǔ)安全亟須關(guān)注。建議引導(dǎo)廠商選擇相對(duì)安全的存儲(chǔ)芯片或者技術(shù)，一是采用PUF等新型技術(shù)提取密鑰，抵抗侵入式攻擊和側(cè)信道攻擊；二是引入存儲(chǔ)數(shù)據(jù)加密和完整性校驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)通過(guò)電磁攻擊等物理手段實(shí)施的數(shù)據(jù)篡改。

3）資源受限嚴(yán)重，亟需標(biāo)準(zhǔn)化的輕量級(jí)安全連接技術(shù)。電力智能傳感器以小數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)為主且通常采用電池或微源取能供電，對(duì)開銷和功耗要求極其嚴(yán)格。同時(shí)，國(guó)內(nèi)尚無(wú)適用于電力智能傳感器的輕量級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)。

4）受產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、設(shè)備能力、規(guī)模和成本限制，亟須做好電力智能傳感器入網(wǎng)檢測(cè)。相關(guān)建議包括：一是收集專有代碼、固件漏洞，建立電力智能傳感器專用漏洞和缺陷庫(kù)，提高檢測(cè)效率、降低檢測(cè)時(shí)間；二是應(yīng)用人工智能等新技術(shù)，改善檢測(cè)準(zhǔn)確度和誤警率等性能；三是備份并及時(shí)發(fā)現(xiàn)已入網(wǎng)設(shè)備固件漏洞，督促?gòu)S家發(fā)布固件安全升級(jí)包并在線升級(jí)存量設(shè)備固件，助力存量設(shè)備安全性保障。

電力智能傳感器及傳感網(wǎng)安全是一個(gè)開放問(wèn)題。在新型電力系統(tǒng)建設(shè)大背景下，電力智能傳感器及傳感網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)張，數(shù)量將急劇增長(zhǎng)，勢(shì)必暴露越來(lái)越多的安全問(wèn)題，防護(hù)技術(shù)也亟須與時(shí)俱進(jìn)。

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