淺析新一代智能儀表面臨的安全威脅及應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)

目前全球電表安裝數(shù)量接近20億臺(tái)，但只有不到10%的電表可以被認(rèn)為是具有雙向通信功能的“智能”儀表。隨著下一代儀表的開發(fā)和安裝，今后幾年中這種情況將會(huì)得到改變。如果再將氣表和水表的數(shù)量增加進(jìn)去，那么儀表數(shù)量很容易翻倍至40億臺(tái)甚至更多。

下一代智能儀表會(huì)將網(wǎng)關(guān)引入家庭，允許公用事業(yè)公司和消費(fèi)者管理能耗。公用事業(yè)公司可以建立動(dòng)態(tài)定價(jià)以便鼓勵(lì)消費(fèi)者避開高峰負(fù)荷時(shí)間，而消費(fèi)者也可以更好地跟蹤使用情況，并決定何時(shí)不使用大功率電器以縮減能源帳單。有關(guān)使用情況的數(shù)據(jù)最初可以使用連接公用事業(yè)公司的PC或智能手機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行查詢，這樣消費(fèi)者就可以訪問到離線使用數(shù)據(jù)，但未來消費(fèi)者能夠直接登錄智能儀表獲得實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)。保護(hù)這些數(shù)據(jù)的安全性是公用事業(yè)公司和電子儀表供應(yīng)商面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

智能儀表基礎(chǔ)

雖然定義多少有些變化，但智能儀表無外乎是監(jiān)視能量、煤氣或水的消耗，然后一般是在LCD顯示器上實(shí)時(shí)顯示消耗數(shù)據(jù)。這些儀表一般都有一個(gè)通信接口 ——在美國，許多公司將ZigBee無線射頻作為標(biāo)準(zhǔn)接口鏈接到公用事業(yè)公司，而在歐洲，許多公用事業(yè)組織一致同意使用電力線通信將儀表鏈接到公用事業(yè)公司。這些通信接口也必須具有低功耗特性，即使它們大部分時(shí)間處于“睡眠”或待機(jī)模式。

電力公司從固定費(fèi)率帳單向計(jì)時(shí)帳單的轉(zhuǎn)換催生了第二代電子儀表，它們具有足夠的智能處理計(jì)時(shí)帳單，并支持自動(dòng)抄表（AMR）。這種改變需要功能更強(qiáng)大的微處理器、無線射頻、信息豐富的LCD和實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）來配合模擬前端（AFE）。在這一代中的第一批儀表將使用多個(gè)芯片來實(shí)現(xiàn)所有功能。然而，隨著公用事業(yè)公司努力降低成本，元件/儀表供應(yīng)商將進(jìn)一步提高元件集成度。

智能儀表的核心是低功耗微控制器加上模擬前端（AFE）。例如在電表中，先由AFE檢測(cè)電流和電壓，將檢測(cè)得到的值轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，然后將數(shù)字值發(fā)送到微控制器，再由微控制器處理這些數(shù)據(jù)、在本地內(nèi)存中存儲(chǔ)讀數(shù)、并在小型LCD屏幕上顯示相關(guān)信息。最后通過通信接口定期地向公用事業(yè)公司上傳數(shù)據(jù)對(duì)于氣表或水表來說，特別低的功耗是附加要求，因?yàn)檫@些儀表必須采用電池供電，而且電池必須持續(xù)工作幾年時(shí)間。或者也可能使用某種類型的能量收集能源取代電池。

新一代智能儀表面臨的安全威脅

在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件時(shí)，設(shè)計(jì)師必須考慮各種系統(tǒng)入侵方式。一般有4種系統(tǒng)入侵方式，包括：

竊聽——黑客可以監(jiān)視所有電源和接口連接以及處理器在正常工作期間產(chǎn)生的任何其它電磁輻射的模擬特征。

軟件攻擊——普通處理器的通信接口可以被用來嘗試?yán)迷跀?shù)據(jù)通信協(xié)議、加密算法和系統(tǒng)其它方面發(fā)現(xiàn)的安全漏洞。

故障產(chǎn)生——黑客可以通過改變時(shí)序和電壓值形成異常工作狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致處理器產(chǎn)生故障，并進(jìn)入允許訪問系統(tǒng)安全部分的狀態(tài)。另外，將芯片表面暴露在激 光下也可以借助電路天生的光電效應(yīng)產(chǎn)生故障。一旦芯片表面被暴露，激光是最難對(duì)付的一種技術(shù)。然而，激光的使用可能更適合歸到下一個(gè)覆蓋入侵技術(shù)的種類， 因?yàn)檫@種入侵方式下芯片表面必須要暴露。

微探測(cè)——這種方法要求直接訪問芯片表面，以便物理探針能夠注入信號(hào)、捕獲數(shù)據(jù)、操作寄存器并干擾系統(tǒng)操作，從而竊取安全信息。

微探測(cè)是一種入侵攻擊方式，需要復(fù)雜的設(shè)備來訪問片上電路，而且一般要求很長(zhǎng)時(shí)間才能獲得訪問權(quán)，同時(shí)會(huì)破壞電路封裝甚至電路本身。這也是一個(gè)相當(dāng)昂貴的挑戰(zhàn)，因此只有當(dāng)回報(bào)值得前期反向工程芯片一部分或整個(gè)芯片的費(fèi)用時(shí)才會(huì)用這種方式。

其它三種攻擊方法都是非入侵式攻擊，通常在最初解決方案之后可以很快再現(xiàn)，因?yàn)椴灰髮?duì)電路進(jìn)行物理入侵。被攻擊電路不會(huì)有物理損壞，攻擊中使用的設(shè)備相對(duì)比較簡(jiǎn)單，成本也較低。

差分功耗分析（DPA）——一種流行的黑客方法，通過同時(shí)監(jiān)視正常操作和故障期間操作情況，能讓黑客判斷軟件的執(zhí)行，因此電路設(shè)計(jì)應(yīng)包括應(yīng)對(duì)這類分析的各種對(duì)策。

DPA是Cryptography Research公司（現(xiàn)在是Rambus公司的一個(gè)事業(yè)部）研究人員發(fā)明的一種使用統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)的攻擊方法。它能幫助密碼破譯者通過分析電路功耗提取出 密鑰，并獲取各種IC和防篡改器件中嵌入的安全信息。一種被稱為簡(jiǎn)單功耗分析（SPA）的方法則沒那么復(fù)雜，它不使用統(tǒng)計(jì)運(yùn)算技術(shù)。SPA 和DPA攻擊都是非入侵式攻擊。這些攻擊無需目標(biāo)電路知識(shí)就能自動(dòng)執(zhí)行。

智能儀表的安全性設(shè)計(jì)要求

本地攻擊者能夠通過物理方式訪問儀表、網(wǎng)關(guān)或這些設(shè)備之間的連接。他們會(huì)試圖透露或改變存儲(chǔ)在儀表或網(wǎng)關(guān)中的使用數(shù)據(jù)，或者在城域網(wǎng)中的儀表和網(wǎng)關(guān)之間傳送的數(shù)據(jù)。這種威脅模型假設(shè)本地攻擊者的動(dòng)機(jī)沒有WAN攻擊者強(qiáng)烈，因?yàn)楸镜毓粽叩囊淮纬晒糁粫?huì)影響一個(gè)網(wǎng)關(guān)。本地攻擊者也有可能是試圖不想付費(fèi)使用服務(wù)的消費(fèi)者。

位于WAN中的攻擊者（WAN攻擊者）可能試圖破壞通過WAN傳送的儀表數(shù)據(jù)和/或配置數(shù)據(jù)的機(jī)密性和/或完整性。WAN攻擊者也可能試圖通過WAN 操控基礎(chǔ)設(shè)施中的一個(gè)設(shè)備（如儀表、網(wǎng)關(guān)或可控制的本地系統(tǒng)），對(duì)該設(shè)備進(jìn)行破壞，或?qū)ο鄳?yīng)的電網(wǎng)進(jìn)行破壞（例如通過向外部實(shí)體發(fā)送偽造的儀表數(shù)據(jù)）。即使在共同標(biāo)準(zhǔn)（Common Criteria）概念中具有最大攻擊可能性的攻擊者（即具有大攻擊可能性的WAN攻擊者）決定了漏洞分析水平，但以下威脅定義承認(rèn)本地攻擊者的攻擊可能性要比遠(yuǎn)程攻擊者小。

在設(shè)計(jì)電子儀表時(shí)需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素——儀表功耗、成本和可靠性。功耗和成本都必須盡可能小，以確保數(shù)百萬臺(tái)儀表不會(huì)給電網(wǎng)增加任何顯著的功率泄漏，與此同時(shí)，儀表成本必須要低，因?yàn)楣檬聵I(yè)公司必須能夠以適當(dāng)?shù)某杀咎娲系膬x表?；陂L(zhǎng)工作壽命和自然特性/服務(wù)質(zhì)量的原因，可靠性要求是顯而易見的。另外，如前所述，這些儀表必須是安全的——數(shù)據(jù)加密必須是儀表設(shè)計(jì)的有機(jī)組成部分，要確保黑客無法收集到個(gè)人數(shù)據(jù)或訪問公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

設(shè)計(jì)智能儀表的公司必須要滿足全球各個(gè)地區(qū)的不同法規(guī)要求以及每個(gè)市場(chǎng)要求的不同服務(wù)和功能。舉例來說，美國的自動(dòng)化儀表讀取法規(guī)規(guī)定了讀表頻率、數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制以及在任何點(diǎn)的儀表中必須及時(shí)存儲(chǔ)的本地?cái)?shù)據(jù)量。為防止數(shù)據(jù)丟失系統(tǒng)必須存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量將影響智能儀表中需要的本地內(nèi)存容量，而這又會(huì)影響到元件的選擇和成本。

在德國，BSI為與廣域網(wǎng)連接的通信網(wǎng)關(guān)定義了安全保護(hù)規(guī)范，并且強(qiáng)制使用安全模塊。這種網(wǎng)關(guān)要達(dá)到共同標(biāo)準(zhǔn)（Common Criteria）EAL4+安全等級(jí)。VaultIC4xxx安全模塊是業(yè)內(nèi)多種安全解決方案之一，已經(jīng)能夠提供這種安全等級(jí)，因而能最大限度地減少網(wǎng)關(guān)制造商的認(rèn)證工作量。

智能儀表設(shè)計(jì)的另外一個(gè)重要方面是防止儀表被篡改——全球有許多地方公用事業(yè)偷竊量占總使用量的比例十分顯著。通過采用各種檢測(cè)機(jī)制來檢測(cè)儀表外殼是否被打開、是否有探頭插入、附近是否有強(qiáng)大的磁場(chǎng)、或其它一些篡改方式，儀表可以向公用事業(yè)公司回傳消息甚至鎖住消費(fèi)者，直到服務(wù)技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)判斷觸發(fā)篡改告警的真實(shí)事件。這種方法有助于公用事業(yè)公司實(shí)現(xiàn)更好的控制，同時(shí)減少?zèng)]有測(cè)量到的損失。

為了設(shè)計(jì)一臺(tái)儀表，最佳的啟動(dòng)方式是定義一個(gè)公共平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)只需很少量修改就能跨平臺(tái)和跨地區(qū)使用。然后判斷內(nèi)部微控制器（MCU）執(zhí)行所有任務(wù)所需的計(jì)算能力。市場(chǎng)上有許多現(xiàn)成的高集成度MCU可以完成這些任務(wù)，但當(dāng)加入低功耗約束條件和數(shù)據(jù)加密要求后，可選余地就相當(dāng)窄了。當(dāng)然，也可以為電子儀表應(yīng)用專門設(shè)計(jì)一種專用系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），但成本和開發(fā)時(shí)間可能是個(gè)問題。不過最終解決方案可能因消除了許多分立元件而降低總體系統(tǒng)成本。

雖然許多微控制器供應(yīng)商都能提供包含片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的MCU，但信號(hào)捕獲和轉(zhuǎn)換要求經(jīng)常導(dǎo)致選用獨(dú)立的模擬前端芯片。這種芯片設(shè)計(jì)用于檢測(cè)使用情況（電流、氣流、水流），并將傳感器輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式以便分析消耗數(shù)據(jù)。例如在電表中，單相或多相前端可以提供許多先進(jìn)的電能監(jiān)視特性，如功率因數(shù)、矢量和及諧波分量。測(cè)量精度和電子快速瞬態(tài)（EFT）響應(yīng)是電表設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求。

應(yīng)對(duì)差分功耗分析（DPA）

在系統(tǒng)或芯片設(shè)計(jì)期間通過減少每個(gè)軟件或硬件操作之間一般都存在的功耗變化可以有效對(duì)付SPA和DPA攻擊。這樣，通過“水平化”功耗，SPA和 DPA方法就無法判斷什么操作在進(jìn)行，從而無法提取任何有用的信息。水平化功耗的一種方法是在功耗測(cè)量中增加不同類型的噪聲，從而模糊真實(shí)的功耗。另外，在芯片設(shè)計(jì)過程中加擾各種數(shù)據(jù)總線和地址線也能起到模糊真實(shí)功耗的作用。

由于密碼包含大量按位算術(shù)功能，分析代碼中的常數(shù)和記憶順序可以給黑客提示所使用的加密算法類型。通過在代碼執(zhí)行期間對(duì)功耗波動(dòng)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，指令序列可以得到重構(gòu)。這樣對(duì)隱藏操作的需求成為主要考慮因素。

隨機(jī)化技術(shù)也能應(yīng)用到算法中，以便系統(tǒng)中操作的數(shù)據(jù)表現(xiàn)得更加隨機(jī)，但可以通過重構(gòu)產(chǎn)生正確的結(jié)果。如果系統(tǒng)允許修改加密協(xié)議，那么還可以增加額外的對(duì)策，即在系統(tǒng)壽命期內(nèi)通過修改協(xié)議來持續(xù)刷新和更新加密信息。

基本上我們可以運(yùn)用老的類比法——如果你將安全想象為一條鏈，那么這條鏈實(shí)際上只是相當(dāng)于最弱的鏈路（安全協(xié)議——加密技術(shù)——密鑰存儲(chǔ)）。每個(gè)領(lǐng)域都必須進(jìn)行分析并防止入侵。

在系統(tǒng)中的芯片的物理設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)碾娐泛桶鎴D方法防止芯片反向工程，因?yàn)榉聪蚬こ棠茏尯诳椭貥?gòu)電路并分析數(shù)據(jù)處理。像加擾片上數(shù)據(jù)總線和存儲(chǔ)器地址線等簡(jiǎn)單方法就是一個(gè)好的起點(diǎn)。另外一些方案包括加密通常存儲(chǔ)在微控制器或?qū)Ｓ冒踩刂破髦械陌踩荑€。

一旦使用強(qiáng)大的加密技術(shù)，那么密鑰存儲(chǔ)就成為最弱的鏈路。另外，許多系統(tǒng)可能將密鑰的多個(gè)拷貝存放在不同地點(diǎn)，但有些地點(diǎn)黑客可能會(huì)訪問到。為了排除這種攻擊方法，密鑰可以存儲(chǔ)在：

1） 在線的中央服務(wù)器中（但裝置昂貴，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)）

2） 半在線（系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)接收密鑰，在運(yùn)行期間密鑰通常保持在DRAM中）——這是一種不好的方案，因?yàn)镈RAM可能被監(jiān)視

3） 安全存儲(chǔ)密鑰拷貝的離線設(shè)備中

一般來說，密鑰對(duì)每個(gè)用戶來說都應(yīng)不同（但這會(huì)要求許多不同的密鑰，因而密鑰產(chǎn)生電路應(yīng)具有可擴(kuò)展性）。密鑰還應(yīng)能立即訪問（這與前一點(diǎn)相矛盾，并要求少量密鑰）。最好的替代方案是從主密鑰派生出用戶密鑰，并將主密鑰存儲(chǔ)在“保險(xiǎn)庫”中。這樣能在遭遇入侵時(shí)保持業(yè)務(wù)的連貫性。

非入侵式攻擊的結(jié)果可能特別危險(xiǎn)，因?yàn)槭芎ο到y(tǒng)的主人可能不會(huì)注意到密鑰已被偷竊，從而在密鑰被非法使用前無法足夠快速地使泄漏密鑰失效。其次，非入侵式攻擊不是非常明顯，因?yàn)楸匾O(shè)備（例如帶專用分析軟件的小型DSP板）通?？梢赃m度低成本地生產(chǎn)，并且很容易更新為新的分析算法。

產(chǎn)生故障攻擊

在小故障攻擊方式中，黑客會(huì)故意產(chǎn)生故障并致使電路中的一個(gè)或多個(gè)邏輯單元翻轉(zhuǎn)為錯(cuò)誤狀態(tài)。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，黑客可以嘗試用幾乎任意一個(gè)不同指令代替單個(gè)重要的處理器指令。小故障還能用來破壞數(shù)據(jù)值，因?yàn)閿?shù)據(jù)要在寄存器和存儲(chǔ)器之間傳送。

一共有4種可以用來創(chuàng)建只對(duì)安全處理器中的少數(shù)機(jī)器周期有影響的相當(dāng)可靠的故障方法：外部電場(chǎng)瞬變、時(shí)鐘信號(hào)瞬變、電源瞬變以及在暴露芯片表面的激光照射。需要重點(diǎn)考慮的是黑客可能想用小故障代替的指令——條件跳轉(zhuǎn)或之前的測(cè)試指令。

小故障可能會(huì)在許多安全應(yīng)用程序的處理過程中打開漏洞窗口。這種漏洞將允許黑客繞過加密障礙，方法是阻止那些警告系統(tǒng)有個(gè)認(rèn)證企圖未成功的代碼的執(zhí)行。

時(shí)鐘信號(hào)毛刺是目前能夠產(chǎn)生的最簡(jiǎn)單、最實(shí)用的一種小故障。這種方法是增加像毛刺一樣的一些時(shí)鐘，臨時(shí)將時(shí)鐘頻率增加半個(gè)或半個(gè)多周期，這樣一些觸發(fā)器會(huì)試圖在新狀態(tài)到達(dá)前采樣它們的輸入。一些系統(tǒng)供應(yīng)商聲稱他們的系統(tǒng)在時(shí)鐘信號(hào)處理邏輯中包含高頻檢測(cè)器。然而，黑客可以通過仔細(xì)選擇毛刺產(chǎn)生過程中的時(shí)鐘信號(hào)占空比避開這些檢測(cè)器。為了最大限度地減小系統(tǒng)危害，設(shè)計(jì)師可以在可能遭受攻擊的任何明顯的反應(yīng)和關(guān)鍵操作之間插入隨機(jī)時(shí)延。產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的一種解決方案是創(chuàng)建一個(gè)由外部時(shí)鐘饋給的隨機(jī)位序列發(fā)生器。

針對(duì)入侵篡改檢測(cè)，清零機(jī)制可以在檢測(cè)到篡改時(shí)擦除秘密。因此對(duì)于能夠在電池支撐的SRAM中存儲(chǔ)秘密的較大安全模塊來說，歸零機(jī)制是一種高效的防篡改方法。

針對(duì)軟件攻擊

緩存溢出攻擊是最嚴(yán)重的軟件安全入侵方法之一。目前有50%以上被廣泛利用的漏洞是由緩存溢出造成的，而且這個(gè)比例還在隨時(shí)間增加。這種溢出攻擊會(huì)對(duì)專用嵌入式系統(tǒng)和通用系統(tǒng)造成嚴(yán)重的安全問題。當(dāng)有更多嵌入式系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，防止嵌入式系統(tǒng)遭受緩存溢出攻擊成為一個(gè)重要的研究課題。保護(hù)嵌入式系統(tǒng)免受緩存溢出攻擊的高效解決方案必須包含兩大要素：

· 必須提供完整的保護(hù)功能，而且要求和規(guī)則必須簡(jiǎn)單，第三方軟件開發(fā)人員能夠很容易遵循。

· 必須提供高效的檢查機(jī)制，以便系統(tǒng)集成商能夠很容易地檢查某個(gè)組件是否已經(jīng)得到保護(hù)。由于一些組件的源代碼可能無法提供給系統(tǒng)集成商，因此即使在不知道源代碼的情況下也必須能夠執(zhí)行安全檢查。

篡改可以有許多形式，并不總是黑客的問題——即使服務(wù)人員也可能訪問儀表并危害數(shù)據(jù)安全。事實(shí)上，所有報(bào)告的數(shù)據(jù)安全破壞事件中有約25%是內(nèi)部人員的惡意行為。例如，在診斷工具連接儀表以記錄、修改或更新儀表軟件的儀表維護(hù)過程中，服務(wù)人員可能會(huì)訪問安全數(shù)據(jù)。為了防止這種情況發(fā)生，必須通過安全引擎將人工干預(yù)阻擋在門外，從而排除數(shù)據(jù)操作或惡意修改的可能性。

如前所述，公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)要求滿足ANSI C12.19中定義的安全性和更高層互操作性，以確保各個(gè)智能電網(wǎng)子系統(tǒng)作為安全網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。業(yè)界正在開發(fā)其它技術(shù)，幫助確保網(wǎng)絡(luò)間通信的可靠和安全。目前許多系統(tǒng)采用AES和Elliptic Curve等成熟算法。未來，公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的更高安全等級(jí)可能會(huì)用256位方案代替128位加密方案。像ZigBee Smart Energy 2和802.16 WiMAX等標(biāo)準(zhǔn)就要求這種安全等級(jí)。

整合硬件和軟件安全性是建立受信任的執(zhí)行環(huán)境的基礎(chǔ)，只有這樣的環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)受信任的通信和功能擴(kuò)展。一個(gè)名為Hydra的英國項(xiàng)目就是業(yè)界定義的受信任系統(tǒng)的一個(gè)例子，該項(xiàng)目在智能儀表上實(shí)現(xiàn)這些解決方案并提供像Telecare等增殖服務(wù)。Hydra的范例應(yīng)用是遠(yuǎn)程醫(yī)療，它能把在家里測(cè)量的體重和血壓值通過安全的端到端數(shù)據(jù)傳送方式直接發(fā)送給病人的個(gè)人健康記錄入口或醫(yī)師。通過解決遠(yuǎn)程醫(yī)療數(shù)據(jù)傳送方面的技術(shù)問題，Hydra將有助于解決其它增殖服務(wù)問題，包括家庭能量管理、水、家庭安全、家庭自動(dòng)化等。Hydra是針對(duì)智能電網(wǎng)的未來應(yīng)用和服務(wù)范例。