浅谈智能电网的安全设计

对智能电网来说，因为电网基础设施受到攻击的几率越来越高，各个国家稳定的电力供应都处在受到恶意攻击危险之中，从而使得安全问题的重要性日益增加。对此，IT安全性尤为重要;很多方案支持端到端的通信数据加密，如：数据集中器、监控器和数据采集器系统(SCADA)。对IT加密措施的关注是毋庸置疑的，因为需要确保“空中”传输数据的安全性。但是，即使采用强大的端到端加密也无法保护整个智能电网的安全：因为嵌入式设备本身易受攻击。

加密等于安全?

虽然加密工具对于隐私保护和传输数据、命令的认证非常有效，但必须注意到这仅是解决方案的一部分。加密的作用在于防止被保护数据在传输或存储过程中被解密或伪造。有些人认为复杂的RF或电力载波通信依赖调频即可完全保证数据的安全性，其实此类保护很容易被攻破。假设攻击者可以任意控制远程电表拉合闸继电器，那么电力公司将需要投入大量资源忙于处理故障。电力公司不但因此遭受经济损失，而且会带来很大麻烦，对于那些必须使用空调的场所造成生存威胁。

那么，如何避免此类事故的发生呢?如果通信双方都通过密钥对通信线路上的数据进行加密、解密、签名或验证，从嵌入式传感器到控制系统的数据加密非常关键，用于加密的密钥保护也更加重要。一旦密钥被窃取，整个网络也就不再安全。智能电网的嵌入式终端需要一套更完备的安全方案，可以借鉴金融终端的安全技术，着重于密钥保护，采用芯片级硬件和防攻击多重保护措施。

电力供应的保护重点不能只放在智能电网的有效数据和命令验证。蠕虫病毒制造者了解攻击嵌入式基础设备的有效手段，即不容易被发现又对系统造成严重破坏。著名的“零日攻击”利用檫除或修改系统程序的方式，对系统造成的破坏非常隐蔽。因此我们不但要关注设备的安装，而且要关注任何一个容易遭受攻击的编程环节 (如生产过程)。

还有什么漏洞?

实现安全可靠的设计并非易事，需要花费大量的时间和对安全保护技术的深入了解。那么，这些投入值得吗?让我们先来分析一个挂网的智能电表，例如，安装在我们自己家里、没有保护措施的电表，外人很容易打开这样的电表。如果电表采用的是通用MCU来处理通信和应用功能，则很可能存在一个编程端口，攻击者可以对他重新编程或读取内部信息。在有足够资源和时间的前提下，一些人可以编写出一个类似功能的程序，但在程序中植入获取密钥数据或篡改账单的病毒。

即使挂网的电表都具备一定的保护措施，可在一定程度上防止篡改。我们仍然能够发现一些容易遭受攻击的环节——生产环节，所谓的“社交工程”为攻击者侵入 IP和生产流程提供了机会。花费数千美金，攻击者就有可能获取程序，通过逆向工程修改后，将“新程序”植入产品。另外，攻击者也可以将你的程序出售给竞争对手，造成巨大损失。

如何保证设备生命周期的安全性?

严格的产品生产流程应该考虑从设计到生产每个环节的安全性，以及应对篡改的策略。保障生命周期的安全性，需考虑以下几点：

1、确保拿到的芯片产自原厂，通过正规渠道采购来降低风险，当然，也要考虑加密技术。Maxim销售的安全处理器和智能电网产品可以加入用户密钥或证书，以防他人解锁和编程IC。

2、保护您的IP。在工厂生产环节提供签名、程序加密，协调从系统处理器的安全装载，到芯片软件解密和授权认证的每个环节。此类加密可以防止程序被克隆或破解。

3、只运行您规定的程序。安全的程序装载采用数字签名的方式来验证代码的有效性，防止装载或运行未经授权的代码。

4、可靠通信。对新的配置、固件更新和指令进行加密和签名，以验证数据来源的可靠性。

5、现场保护密钥。不要将密钥存于它处，如外部EEPROM。如果系统使用独立的安全处理器和应急处理器，应将密钥保存在安全处理器内，不要向外发送。以免攻击者从线路板的通信数据中窃取密钥。

6、公司内部的密钥保护。工程师可以使用开发密钥来开发产品的安全功能，产品级密钥则要经过多人签名授权。通常可以使用一个更高级别的安全模块完成授权。

7、不放过每个微小漏洞。如果系统攻击者仅从一块电表窃取到重要信息，并投入大量的时间和资金研究这些信息，希望据此攻击整个系统。经验老道的攻击者可能打开IC封装，从MCU的存储器中寻找重要信息。因此，使用唯一密钥或非对称加密(如：椭圆曲线数字签名)很有必要。

图1. 产品生命周期内的安全性需要考虑从开发到生产的每个细节。

当前电网的安全保护措施为攻击者留出了很大的空间。为了让嵌入式设备在整个生命周期内确保安全，我们还需加强整个智能电网的安全设计，让哪些攻击者望而却步。