基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信息安全分析

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用極大地助力了智能電網(wǎng)的發(fā)展，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及諸多的傳感設(shè)備，使得智能電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)量激增，網(wǎng)絡(luò)信息安全問題日益顯現(xiàn)。文章首先總結(jié)了智能電網(wǎng)中存在的網(wǎng)絡(luò)攻擊類型，然后列舉了智能電網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)信息安全需要考量的5個(gè)方面，最后給出了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊的解決方案，并指出了未來針對(duì)智能電網(wǎng)中信息安全工作應(yīng)當(dāng)考量的方向。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)安全

中圖分類號(hào)：TM727" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著當(dāng)今世界對(duì)于電力供應(yīng)的需求越來越大，加之石化能源的日益枯竭以及電網(wǎng)中電力設(shè)備的老化和環(huán)境保護(hù)因素的影響，如何使得電網(wǎng)更加安全、高效和清潔成為當(dāng)今電力行業(yè)不可回避的問題。傳統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性已無法滿足當(dāng)前社會(huì)的需求。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)誕生的智能電網(wǎng)，能夠極大地提高傳統(tǒng)電網(wǎng)的可靠性、高效性、安全性和可交互性，然而由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全問題，也引起了學(xué)者們的廣泛重視。

本文主要介紹了當(dāng)前基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電網(wǎng)中存在的信息風(fēng)險(xiǎn)的類型，總結(jié)了當(dāng)前智能電網(wǎng)中的信息安全要求，并給出了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊的解決方案，對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)以后的網(wǎng)絡(luò)安全發(fā)展方向提出了相關(guān)參考。

1 智能電網(wǎng)介紹

智能電網(wǎng)（Smart Grid，SG）理念對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)產(chǎn)生了革命性變革，它提供了一種安全可靠的集成方式［1］，能夠?qū)ⅰ霸淳W(wǎng)荷儲(chǔ)”4個(gè)方面（即傳統(tǒng)能源、可再生能源和電能運(yùn)輸、電能負(fù)荷以及電能存儲(chǔ)技術(shù)）進(jìn)行高效的結(jié)合。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過各類傳感設(shè)備和信息傳輸技術(shù)，將電力生產(chǎn)和居民生活中的各種設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)相連接，以實(shí)現(xiàn)信息的測(cè)量、監(jiān)控和流動(dòng)等功能。在用電側(cè)，家庭中的智能電表、智能建筑或智能家居中的設(shè)備都采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其用電信息匯聚到主站服務(wù)器中。數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）負(fù)責(zé)發(fā)電端和輸配電端的信息采集和監(jiān)控，是電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的基礎(chǔ)。由于電力系統(tǒng)覆蓋面積廣、能量傳輸數(shù)量龐大，使得電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)［2］。僅以新能源業(yè)務(wù)為例，電力物聯(lián)網(wǎng)的新能源綜合服務(wù)類業(yè)務(wù)全網(wǎng)匯聚帶寬可達(dá)302.25 Gbit/s［3］。這些海量的用電數(shù)據(jù)帶來的相關(guān)電力設(shè)備的信息安全問題是當(dāng)前研究的熱門。信息傳輸過程中可能產(chǎn)生個(gè)人和設(shè)備的用電信息、用戶的行為習(xí)慣被泄露或竊取的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能危害國(guó)家安全，因此對(duì)信息傳輸?shù)陌踩珕栴}進(jìn)行研究十分有必要。

2 智能電網(wǎng)中的信息風(fēng)險(xiǎn)

美國(guó)著名的武器公司洛克希德馬丁最先提出了網(wǎng)絡(luò)殺傷鏈的概念，網(wǎng)絡(luò)殺傷鏈最主要的4個(gè)環(huán)節(jié)是偵查、掃描、漏洞利用和維持訪問。黑客和不法分子通過這4個(gè)基本步驟鎖定智能電網(wǎng)中的設(shè)備，獲得訪問權(quán)限和控制權(quán)限的。通常，黑客首先會(huì)收集目標(biāo)設(shè)備的相關(guān)信息；然后會(huì)嘗試尋找系統(tǒng)和服務(wù)器的漏洞或缺陷；最后當(dāng)獲得目標(biāo)管理訪問權(quán)限后，會(huì)安裝一個(gè)無法檢測(cè)的隱秘程序，使之能夠在下次入侵時(shí)返回目標(biāo)系統(tǒng)。

智能電網(wǎng)可能遭受的網(wǎng)絡(luò)攻擊類型如表1所示。

2.1 偵查目標(biāo)

偵查目標(biāo)一詞起源于軍事對(duì)抗，即在戰(zhàn)爭(zhēng)前了解敵方的相關(guān)信息。在智能電網(wǎng)中，員工個(gè)人/企業(yè)郵箱、招標(biāo)信息和采購信息、客服電話等信息都可能被黑客收集并利用。流量分析和社會(huì)工程等攻擊是偵察過程最典型的2種手段。流量分析通過監(jiān)聽、分析網(wǎng)絡(luò)流量等方式，確定連接到電力系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)IP地址；而社會(huì)工程則是強(qiáng)調(diào)人際互動(dòng)方便，例如攻擊者會(huì)通過說服、詐騙或是賄賂電力企業(yè)員工的方式，獲取登錄服務(wù)器的PIN碼或密碼。

2.2 掃描攻擊

掃描攻擊的對(duì)象是網(wǎng)絡(luò)上所有活動(dòng)的計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)程序。智能電網(wǎng)中的IP地址、端口、應(yīng)用程序和安全漏洞都會(huì)成為掃描攻擊的對(duì)象。其中，IP地址掃描主要用于確認(rèn)目標(biāo)主機(jī)是否處于活動(dòng)狀態(tài)；端口掃描用于確認(rèn)該端口是否打開且可用；漏洞掃描的種類分為2類，一種是基于主機(jī)的漏洞掃描，另一種是基于網(wǎng)絡(luò)的漏洞掃描。通過漏洞掃描可以查找與目標(biāo)設(shè)備上每個(gè)服務(wù)程序相關(guān)的缺陷和漏洞，以便進(jìn)行利用。Modbus和分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（Distributed Network Protocol 3，DNP3）作為在智能電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的工業(yè)協(xié)議，很容易受到掃描攻擊的侵襲。

2.3 漏洞利用

針對(duì)智能電網(wǎng)中的應(yīng)用程序或是操作系統(tǒng)的漏洞，植入惡意代碼并觸發(fā)稱之為漏洞利用。病毒、蠕蟲病毒和特洛伊木馬侵入人機(jī)界面、侵犯隱私以及拒絕服務(wù) （Denial of Service，DoS）都可視為漏洞利用的形式。在智能電網(wǎng)中，能夠感染計(jì)算機(jī)或電子設(shè)備的程序稱之為病毒，病毒的特性是必須附加到已有的程序上。與一般病毒不同，它是一種獨(dú)立的、能夠進(jìn)行自我復(fù)制的惡意程序。蠕蟲病毒通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳播，進(jìn)而感染網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)和其他設(shè)備。不同于上述2種病毒，特洛伊木馬不以傳播為目的，它隱藏在正常程序當(dāng)中，通過執(zhí)行惡意代碼，達(dá)到控制相應(yīng)目標(biāo)的目的。

2.4 維持訪問

維持訪問是攻擊者通過特定的攻擊形式（例如后門、病毒、木馬等）保持對(duì)目標(biāo)訪問權(quán)限的攻擊方式。對(duì)于智能電網(wǎng)而言，SCADA是最容易遭受維持訪問攻擊的系統(tǒng)，攻擊者通過在SCADA服務(wù)器中安裝后門，發(fā)起一系列的網(wǎng)絡(luò)攻擊，從而使得SCADA系統(tǒng)癱瘓。2015年著名的烏克蘭大停電事件，黑客正是通過誘使電廠員工下載含有惡意軟件的郵件，并利用Office軟件上的漏洞，最終控制了電廠的SCADA系統(tǒng)，從而使得整個(gè)電網(wǎng)癱瘓。

3 智能電網(wǎng)中的信息安全要求

對(duì)于智能電網(wǎng)而言，不僅須要解決可能存在的黑客活動(dòng)甚至間諜活動(dòng)帶來的危害，還必須考慮到自然災(zāi)害、人為誤操作、軟件漏洞和設(shè)備老化等因素給通信系統(tǒng)帶來的一系列問題。尤其是系統(tǒng)或是系統(tǒng)中運(yùn)行的軟件本身含有的漏洞極易造成黑客入侵，進(jìn)而使得電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到破壞。智能電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)可分為4類［3-5］，其中最重要的數(shù)據(jù)是設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和負(fù)載的用電數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)需要高度保護(hù)，否則一旦遭到攻擊，就可能造成電網(wǎng)的停運(yùn)。

結(jié)合傳統(tǒng)IT網(wǎng)絡(luò)上的信息安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，智能電網(wǎng)中的信息安全主要從可用性、完整性、保密性3個(gè)方面進(jìn)行考量。除此之外，驗(yàn)證和授權(quán)也是智能電網(wǎng)中信息安全需要考量的因素。先將上述5種考慮因素做如下介紹。

3.1 可用性

在國(guó)家電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全概述中，“可用性”一詞的釋義是保證合法用戶對(duì)信息和資源的使用不會(huì)被不合理地拒絕。智能電網(wǎng)中的可用性攻擊通常會(huì)扭曲、限制或阻礙電網(wǎng)中數(shù)據(jù)的傳輸。更嚴(yán)重的可用性攻擊會(huì)禁止甚至破壞授權(quán)訪問功能，極大地阻礙電網(wǎng)的正常運(yùn)行。DoS攻擊作為最常見的可用性攻擊的形式，可阻礙、破壞或停止數(shù)據(jù)傳輸來中斷網(wǎng)絡(luò)通信。攻擊者通常會(huì)在通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸大量的流量，從而加劇網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，直至壓垮網(wǎng)絡(luò)的傳輸連接，最終達(dá)到破壞系統(tǒng)正常運(yùn)行的目的。

3.2 完整性

數(shù)據(jù)的完整性是指數(shù)據(jù)在傳輸或者存儲(chǔ)的過程中未經(jīng)授權(quán)不能被修改，或是被修改時(shí)需要被檢測(cè)到。在智能電網(wǎng)中，以用戶側(cè)為例，居民的用電數(shù)據(jù)由屋內(nèi)安裝的智能表計(jì)測(cè)量后，通過戶內(nèi)網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)集中器。智能表記、數(shù)據(jù)鏈路和數(shù)據(jù)集中器中數(shù)據(jù)的完整性都有可能遭到非法修改、復(fù)制和泄露等不同形式的完整性攻擊。SQL注入攻擊是一種常見的攻擊數(shù)據(jù)完整性的方法，主要將欺詐性需求插入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以維護(hù)控制系統(tǒng)。SQL注入攻擊能夠刪除或更改當(dāng)前信息，或是插入偽造數(shù)據(jù)從而達(dá)到損害數(shù)據(jù)完整性以及盜取用戶數(shù)據(jù)的目的。

3.3 保密性

保密性是指保護(hù)對(duì)記錄的訪問和傳播的允許權(quán)限的限制。保密性標(biāo)準(zhǔn)包括防止對(duì)未授權(quán)的人員、系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)訪問和傳播未授權(quán)訪問的信息。用戶的用電信息以及電力系統(tǒng)中各類發(fā)電、用電和輸電設(shè)備的測(cè)量參數(shù)都屬于保密信息，一旦泄露會(huì)對(duì)用戶隱私乃至國(guó)家安全造成危害。

竊聽攻擊、流量分析攻擊和偽裝攻擊都是較為常見的、針對(duì)保密性的攻擊形式。

3.4 驗(yàn)證

驗(yàn)證又稱為身份驗(yàn)證，在網(wǎng)絡(luò)安全中用以確認(rèn)用戶身份或是確定用戶提供的消息的有效性。完成身份驗(yàn)證之后用戶才有資格對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備或是數(shù)據(jù)信息進(jìn)行訪問。一旦黑客或是不法分子獲得了設(shè)備或是系統(tǒng)的訪問權(quán)限，就有可能導(dǎo)致智能電網(wǎng)中的機(jī)密信息被泄露。針對(duì)身份驗(yàn)證，最常見的是中間人攻擊（Man-in-the-MiddleAttack，MITM），它是一種針對(duì)SCADA系統(tǒng)的攻擊方式，主要通過在2臺(tái)計(jì)算機(jī)之間安置一臺(tái)虛擬機(jī)，以達(dá)到篡改通信內(nèi)容或是竊取信息的目的。

3.5 授權(quán)

授予用戶訪問計(jì)算機(jī)的許可和權(quán)限（也稱為訪問控制）稱之為授權(quán)。在智能電網(wǎng)中不僅存在大量的電力生產(chǎn)設(shè)備，還存在諸多的通信設(shè)備。為了提高設(shè)備的利用效率和防止機(jī)密信息泄露，合理地進(jìn)行授權(quán)，禁止未經(jīng)授權(quán)的個(gè)人或系統(tǒng)未經(jīng)授權(quán)訪問系統(tǒng)中的各類設(shè)備就顯得十分重要。訪問授權(quán)控制能夠確保智能電網(wǎng)中的設(shè)備、資源和系統(tǒng)只能由已正確識(shí)別的人員或是單位進(jìn)行訪問。在智能電網(wǎng)中，應(yīng)當(dāng)建立嚴(yán)格的身份驗(yàn)證措施，以防止對(duì)敏感數(shù)據(jù)和重要資產(chǎn)進(jìn)行不必要的訪問。

針對(duì)上述安全要求以及智能電網(wǎng)中可能存在的網(wǎng)絡(luò)攻擊，將已有的數(shù)據(jù)安全保護(hù)措施進(jìn)行總結(jié)，具體如圖1所示。

4 展望

考慮到未來智能電網(wǎng)中的業(yè)務(wù)量、信息量會(huì)持續(xù)大幅增長(zhǎng)，本節(jié)指出了2個(gè)未來值得注意的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能電網(wǎng)發(fā)展方向。

4.1 增強(qiáng)通信技術(shù)的多樣性

多樣的通信技術(shù)可以使得智能電網(wǎng)中的信息流動(dòng)更加高效、安全。在一種通信方式失效的情況下，可采用其他方式進(jìn)行通信。聯(lián)合組網(wǎng)就是一種能較好地滿足智能電網(wǎng)通信需求的方式，PON技術(shù)、5G技術(shù)以及常見的電力線載波通信和光纖通信都可以成" 為聯(lián)合組網(wǎng)的一部分。

4.2 綜合利用多種信息保護(hù)措施

智能電網(wǎng)中的信息規(guī)模必將不斷擴(kuò)大，除了采用傳統(tǒng)的信息保護(hù)策略，例如漏洞修復(fù)、反DoS等，也應(yīng)大力發(fā)展新型的主動(dòng)防御策略，例如采用電力系統(tǒng)信息風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法、異常信息和網(wǎng)絡(luò)攻擊監(jiān)測(cè)方法等。通過多元化手段的利用降低網(wǎng)絡(luò)信息傳遞的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

計(jì)算機(jī)科學(xué)水平的進(jìn)步使得各類傳感設(shè)備在工業(yè)中得以大量應(yīng)用，也促使當(dāng)今的智能電網(wǎng)功能越發(fā)強(qiáng)大。但由此帶來的有關(guān)智能電網(wǎng)中的設(shè)備和數(shù)據(jù)的訪問、使用以及傳輸過程中的安全問題更不可忽視。本文針對(duì)當(dāng)前智能電網(wǎng)中的信息安全風(fēng)險(xiǎn)、信息安全要素進(jìn)行了較為全面的總結(jié)，并對(duì)智能電網(wǎng)信息安全的發(fā)展提出了相應(yīng)的建議。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能電網(wǎng)的發(fā)展將有效助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，但對(duì)其發(fā)展過程中帶來的各類問題，也應(yīng)及時(shí)思考發(fā)展對(duì)策，消除其潛在的負(fù)面影響。

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Information security analysis of smart grid network based on IoT technology

LIU" Jiaying

（State Grid Songzi Power Supply Company， Songzi 434200，China）

Abstract： The application of Internet of Things technology has greatly assisted the development of smart grids. Due to the involvement of many sensing devices and their data transmission， the amount of data in smart grids has also increased significantly. This article first summarizes the types of network attacks that exist in smart grids， then lists five aspects that need to be considered for network information security in smart grids， and finally provides corresponding solutions for network attacks， pointing out the directions that should be considered for future information security work in smart grids.

Key words： smart grid; Internet of Things; data security

作者簡(jiǎn)介：劉佳瑩（1995— ），女，助理工程師，本科；研究方向：智能電網(wǎng)。