數(shù)字化對于電氣系統(tǒng)、將資產連接到網(wǎng)絡以及通過高速通信提供可見性和控制至關重要。隨著智能電網(wǎng)和可再生能源的發(fā)展，信息技術支撐著從發(fā)電到配電的所有電力輸送環(huán)節(jié)。然而，雖然自動化程度的提高和集成系統(tǒng)增強了數(shù)據(jù)分析和實時控制，但它們可能會使電網(wǎng)容易受到網(wǎng)絡攻擊。

通過利用漏洞，黑客可以阻止社區(qū)獲得電力、水和衛(wèi)生設施，并關閉企業(yè)、醫(yī)院和交通。攻擊使公用事業(yè)公司失去收入并對社區(qū)產生深遠的經濟影響。此外，客戶數(shù)據(jù)泄露會招致巨額罰款和失去信任。

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日益增長的風險

在最近的一項調查中，超過一半的電力公司報告了最近的數(shù)據(jù)泄露或系統(tǒng)關閉，四分之一遭受了大規(guī)模攻擊。盡管如此，只有不到一半的公用事業(yè)公司認為他們的網(wǎng)絡安全準備程度很高。[1],[2] 大多數(shù)公用事業(yè)公司接受網(wǎng)絡安全是一個優(yōu)先事項，但有效實施它可能是一個困難的過程。[3]

雖然公用事業(yè)通信系統(tǒng)的各個級別都可能發(fā)生網(wǎng)絡攻擊，但無線局域網(wǎng) (WAN) 尤其容易受到攻擊，并且可能允許黑客在相對未被發(fā)現(xiàn)的情況下竊取數(shù)據(jù)流。三種主要類型的攻擊會影響電氣系統(tǒng)：

機密性：黑客危害數(shù)據(jù)安全。

完整性：攻擊者操縱數(shù)據(jù)來影響命令序列并導致跳閘、功能喪失或過載。

可用性：最簡單的攻擊形式通過分布式拒絕服務攻擊使 WAN 系統(tǒng)不可用。 [4]

雖然可以通過重新啟動從某些網(wǎng)絡攻擊中恢復，但協(xié)同攻擊可能會使組件過載并造成物理損壞。 [5]

實例探究

最近發(fā)生的一些網(wǎng)絡攻擊強化了強大的網(wǎng)絡安全的重要性。在印度，2017 年 5 月發(fā)生了針對西孟加拉邦電力分配 (WBSEDCL) 的勒索軟件攻擊，而 11 月的一次攻擊襲擊了北阿坎德邦的 Tehri 大壩，盡管保護系統(tǒng)阻止了這一企圖。在印度以外，2015 年在烏克蘭發(fā)生的一次襲擊導致 8 個變電站斷開連接，導致超過 200,000 人受到影響，公用事業(yè)公司不得不手動操作變電站數(shù)周。[6]

2020 年的其他攻擊包括對臺灣國有能源公司 CPC Corp 的勒索軟件攻擊，以及試圖破壞以色列供水基礎設施的企圖。一家日本電信公司報告稱，數(shù)百名客戶的數(shù)據(jù)被盜。 [7], [8], [9]

遷移到基于數(shù)據(jù)包的技術

增加的系統(tǒng)集成和網(wǎng)絡連接以及電力公用事業(yè)的數(shù)字化支持將運營通信網(wǎng)絡遷移到分組交換廣域網(wǎng) (WAN) 的想法。

使用時分復用 (TDM)，系統(tǒng)復用兩個或多個數(shù)字信號，將它們分成相等長度的時隙，然后通過同一信道發(fā)送。接收器解復用這些并將它們重新組合成原始格式，從而提供針對網(wǎng)絡攻擊的偽安全

使用分組技術，尤其是通過廣域網(wǎng)，給電力公司帶來了新的挑戰(zhàn)，因為與 TDM 網(wǎng)絡相比，分組交換網(wǎng)絡的網(wǎng)絡安全要求是不同的。新技術需要在任何網(wǎng)絡條件下保證關鍵任務應用的關鍵性能參數(shù)（例如抖動、漂移、對稱和延遲），同時還要考慮變化的網(wǎng)絡安全要求。網(wǎng)絡安全將涵蓋來自 RTU 和中繼的應用程序數(shù)據(jù)，并保護 IEC61850 GOOSE 等網(wǎng)絡協(xié)議。應用程序依賴于準確的時間信息數(shù)據(jù)，黑客可以利用這些數(shù)據(jù)關閉電網(wǎng)。

分組技術的網(wǎng)絡安全

自然，電力公司希望他們的系統(tǒng)獲得最佳安全性，以在困難的操作環(huán)境中保持高可用性和帶寬。因此，非常需要確保電力公用事業(yè)基于分組的運營網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性和真實性。他們可以通過對相關信息進行加密和認證來實現(xiàn)這一點。?

由于目前安裝在電力公用事業(yè)環(huán)境中的許多應用程序和終端設備不支持數(shù)據(jù)加密，因此需要使用其他技術來提供此類功能。其中一種措施是 IPsec 網(wǎng)絡協(xié)議，它通過共享安全屬性和拒絕未經授權的數(shù)據(jù)包來加密數(shù)據(jù)包以提供安全通信。這些協(xié)議支持相互身份驗證并使用 Internet 密鑰交換 (IKE) 來協(xié)商會話期間使用的加密密鑰。自然，公用事業(yè)公司希望所有系統(tǒng)都具有高水平的網(wǎng)絡安全，但 IPsec 通過增加數(shù)據(jù)開銷來增加數(shù)據(jù)包大小。

因此，IPsec 會顯著影響網(wǎng)絡性能，而這種降級會影響對延遲高度敏感的遠程保護等實時應用。由于延遲和抖動會影響數(shù)據(jù)質量，因此公司將網(wǎng)絡安全系統(tǒng)分層以專注于非關鍵任務數(shù)據(jù)。提供基本功能的低層通信具有廣泛的協(xié)議并且可以提供特別有效的保護。

目前使用的其他廣域網(wǎng)安全技術包括 MACsec 和鏈路層加密，它們并不總是適用于公用事業(yè)通信系統(tǒng)。MACsec 缺乏關鍵任務網(wǎng)絡的安全要求和靈活性，而第 1 層的鏈路層加密也是一種跳到跳解決方案，主要設計用于高吞吐量的數(shù)據(jù)中心連接。

一個創(chuàng)新的解決方案是將用于數(shù)據(jù)包處理的數(shù)據(jù)包引擎與用于加密和身份驗證操作的加密引擎分開。即使通過復雜的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，這也會導致類似有線的確定性加密和身份驗證數(shù)據(jù)包傳輸。

一個反復出現(xiàn)的問題是，公用事業(yè)公司經常根據(jù)最新的攻擊來設計網(wǎng)絡安全，這不能防范復雜的未來攻擊并損害長期保護。例如，基于加密的系統(tǒng)面臨強大的量子計算機的威脅，量子計算機可以快速破解公鑰密碼術，從而使現(xiàn)有方法過時。隨著量子安全網(wǎng)絡的新標準在未來幾年出現(xiàn)，電網(wǎng)現(xiàn)在必須開始準備他們的設備和系統(tǒng)。

密鑰、數(shù)學和量子計算

密鑰管理為網(wǎng)絡加密生成密鑰，分配它們，組織主機之間的交換，并在傳輸結束時撤銷密鑰。隨著量子技術的發(fā)展，它將越來越多地危害公鑰密碼范式的安全性和強度。足夠大的量子計算機的發(fā)展可以讓黑客破解支撐基礎設施和網(wǎng)絡的特定公鑰密碼學/非對稱密碼學。

加密密鑰是任何加密和數(shù)據(jù)保護的秘密元素，未來，基于真正隨機性生成強密鑰將成為關鍵基礎設施安全的基石。

然而，量子技術也提供了解決方案，因為使用物理量子隨機數(shù)生成器 (QRNG) 作為高質量密鑰生成的來源，以及抗量子算法（后量子密碼術），將滿足長期的 Quantum-安全保護要求。

隨著運營商逐漸采用基于分組的通信系統(tǒng)，將此應用于使用多協(xié)議標簽交換 - 傳輸配置文件 (MPLS-TP) 的 WAN 系統(tǒng)將增強公用事業(yè)網(wǎng)絡的安全性。現(xiàn)代公用事業(yè)通信系統(tǒng)與遺留系統(tǒng)兼容，面向未來，與物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 技術集成，并且在不影響實時能力的情況下是量子安全的。

審核編輯 黃昊宇