世界各地的能源供應(yīng)商和政府都在尋找升級(jí)其能源系統(tǒng)的方法。 這些努力的很大一部分花在智能電網(wǎng)概念上，該概念將聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化引入電力系統(tǒng)中。 智能電網(wǎng)使消費(fèi)者和供應(yīng)商可更好地監(jiān)控電力消耗。提高了可靠性和效率，降低了成本。 但是計(jì)算機(jī)化和聯(lián)網(wǎng)也產(chǎn)生了安全和攻擊隱患。

　　2009 年的研究對(duì)智能電網(wǎng)的威脅進(jìn)行了很好詮釋，當(dāng)時(shí) IOActive 的研究人員使用聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)攻擊遠(yuǎn)程潛入并控制了智能電表。 他們能夠接管一臺(tái)設(shè)備，在液晶屏上顯示一條消息，并從電表到電表散布攻擊。 盡管這些研究人員沒(méi)有造成任何毀壞，但很容易想象一場(chǎng)類似的攻擊將家庭和企業(yè)從電網(wǎng)切斷，從而造成大范圍的破壞。 智能電網(wǎng)還有可能將信息透露給未授權(quán)用戶。 有風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)據(jù)包括：

　　●診斷信息

　　●維護(hù)信息

　　●身份（可能包括個(gè)人信息）

　　●帳單數(shù)據(jù)

　　●系統(tǒng)狀態(tài)

　　保護(hù)電網(wǎng)運(yùn)作和相關(guān)數(shù)據(jù)流是智能電網(wǎng)計(jì)劃成功的關(guān)鍵。 提高安全性的一種方式是將系統(tǒng)重要和機(jī)密部分與非重要和非機(jī)密部分分開。 本文介紹了如何使用安全 Hypervisor 和 Intel®  虛擬化技術(shù) (Intel® VT) 實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

　　虛擬化、分區(qū)和安全

　　一種已經(jīng)證實(shí)可行的安全方案是通過(guò)物理方式分開構(gòu)建安全和非安全的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)。 對(duì)于大多數(shù)智能電網(wǎng)而言，這種方法是不實(shí)際的，既昂貴又繁冗。 一種更經(jīng)濟(jì)高效的解決方案是利用嵌入式虛擬化，在同一臺(tái)設(shè)備上運(yùn)行安全和非安全軟件。

　　虛擬化使開發(fā)人員可將一個(gè)硬件平臺(tái)分區(qū)成多個(gè)虛擬機(jī)，每個(gè)上面運(yùn)行自己的來(lái)賓操作系統(tǒng) (OS)。虛擬機(jī)由一個(gè)位于來(lái)賓 OS 和硬件之間的 Hypervisor（也稱為虛擬機(jī)監(jiān)視器）管理。使用一個(gè)安全的 Hypervisor，如風(fēng)河 Hypervisor，虛擬機(jī)之間被嚴(yán)格地分開，這樣一個(gè)分區(qū)上出現(xiàn)的攻擊、崩潰或不良行為將不會(huì)影響到其他分區(qū)。 這種隔離使一個(gè)單獨(dú)的硬件可同時(shí)安全運(yùn)行安全和非安全軟件。

　　圖 1 顯示了一個(gè)支持安全、受信任虛擬機(jī)的安全分區(qū)架構(gòu)示例。 此架構(gòu)支持在一個(gè)運(yùn)行少執(zhí)行的安全、受信任分區(qū)中進(jìn)行智能電網(wǎng)控制和數(shù)據(jù)處理。 安全要求較低的實(shí)時(shí)控制和設(shè)備界面可在第二個(gè)分區(qū)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 上運(yùn)行。 同時(shí)，圖形用戶界面 (GUI) 可在第三個(gè)分區(qū)中的通用操作系統(tǒng) (GPOS) 上運(yùn)行。

圖 1. 一個(gè)安全分區(qū)架構(gòu)示例。

　　安全逐漸成為電網(wǎng)的一個(gè)重要要求，很有必要驗(yàn)證并智能電網(wǎng)設(shè)備的安全性。 驗(yàn)證系統(tǒng)安全是一項(xiàng)單調(diào)、昂貴和耗時(shí)的工作，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)則更加費(fèi)力。 一個(gè)安全 Hypervisor 可簡(jiǎn)化此工作，將安全重要性高的功能劃分到受信任分區(qū)，安全重要性低的軟件分到不受信任分區(qū)。 此劃分減少了驗(yàn)證工作量，因?yàn)閮H受信任分區(qū)的軟件需要驗(yàn)證。

　　為了讓安全分區(qū)可用于智能電網(wǎng)設(shè)備，必須有一個(gè)安全可靠的方式讓受信任組件與不受信任組件通信，還要有一個(gè)在智能電網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)上安全通信的方式。

　　聯(lián)網(wǎng)，分區(qū)間通信

　　分區(qū)間通信是虛擬化系統(tǒng)的一個(gè)重要要求，因?yàn)榭偸切枰獜氖苄湃畏謪^(qū)到不受信任分區(qū)傳輸數(shù)據(jù)和控制。 由于安全原因，Hypervisor 會(huì)根據(jù)系統(tǒng)安全策略和系統(tǒng)配置嚴(yán)格地控制分區(qū)間允許的通信和數(shù)據(jù)訪問(wèn)。 一種通信機(jī)制是安全進(jìn)程間通信（安全 IPC 或 SIPC）。

　　圖 2 顯示了一個(gè)分區(qū)間使用 SIPC 的示例。 SIPC 使用單向通道（阻止返回通道），可同時(shí)提供異步和同步消息傳遞。

圖 2. 分區(qū)間的安全 IPC (SIPC)。

　　保護(hù)到外界的通信，通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)或公共 Internet，是智能電網(wǎng)設(shè)備的另一個(gè)重要要求，因?yàn)檫@些設(shè)備必須將機(jī)密帳單、使用和控制信息傳回電網(wǎng)。 保護(hù)這些數(shù)據(jù)的一種方法是使用創(chuàng)建多個(gè)單級(jí) (MSL) 聯(lián)網(wǎng)的高可靠性網(wǎng)絡(luò)堆棧。 此方法支持同一連接上各種不同的安全級(jí)別，但是處于不同安全級(jí)別的連接總是保持分開的。 使用這種方法，在智能電網(wǎng)設(shè)備內(nèi)和外部的電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可使安全信息與不安全信息保持分開。

　　圖 3 顯示了一個(gè)專用的架構(gòu)，位于一個(gè)專用受信任分區(qū)的高可靠性網(wǎng)絡(luò)堆棧分析并發(fā)布數(shù)據(jù)包到系統(tǒng)其他部分。 如 802.1Q 描述的虛擬局域網(wǎng)標(biāo)簽用于指示進(jìn)出設(shè)備的數(shù)據(jù)包的目的地。 這樣安全數(shù)據(jù)即可與通用通信分開驗(yàn)證和隔離。

圖 3. 用于網(wǎng)絡(luò)通信的高可靠性網(wǎng)絡(luò)堆棧。

　　對(duì)網(wǎng)絡(luò)堆棧使用專用受信任分區(qū)可保護(hù)系統(tǒng)其他部分免受網(wǎng)絡(luò)攻擊，限制可用的隱蔽通道給潛在攻擊者。 因?yàn)樵摼W(wǎng)絡(luò)堆棧與系統(tǒng)其他部分隔離，所以更容易測(cè)試、診斷和驗(yàn)證堆棧。 盡管該堆棧仍然可能被外界攻擊，但是隔離和完整驗(yàn)證提供了更安全的通信。

　　利用 Intel 虛擬化技術(shù)

　　Intel 虛擬化技術(shù) (Intel VT) 大大提升了安全 Hypervisor 的優(yōu)勢(shì)。Intel VT 提供了硬件輔助機(jī)制，增強(qiáng)了虛擬化系統(tǒng)的性能和安全性。Intel VT 的主要元素：

　　●處理器虛擬化增強(qiáng)。用于 IA-32、Intel? 64 和 Intel? Architecture (Intel? VT-x) 的Intel? 虛擬化技術(shù)加速了 Hypervisor 和來(lái)賓操作系統(tǒng)之間控制傳輸?shù)乃俣取?它使用硬件輔助為來(lái)賓操作系統(tǒng)捕獲和執(zhí)行一些指令。除了性能加速外，Intel VT-x 還允許實(shí)現(xiàn)一些 Hypervisor 安全功能。

　　●內(nèi)存和 I/O 虛擬化。用于 Directed I/O (Intel? VT-d) 的Intel? 虛擬化技術(shù)使 Hypervisor 可為每個(gè)來(lái)賓操作系統(tǒng)指定特定 I/O 設(shè)備。每個(gè)設(shè)備都給定了一個(gè)特定的內(nèi)存區(qū)域，只有該設(shè)備和指定的來(lái)賓操作系統(tǒng)可訪問(wèn)。硬件輔助再次加速了性能，因?yàn)?Hypervisor 不再必須參與每次 I/O 事務(wù)。

　　風(fēng)河 Hypervisor 是一個(gè)安全 Hypervisor 的例子，支持 Intel VT-x 和 Intel VT-d。 通過(guò)結(jié)合使用風(fēng)河 Hypervisor 和啟用了 Intel VT 的處理器，開發(fā)人員可以創(chuàng)建分區(qū)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)別的安全和性能。

　　分區(qū)不是的

　　使用 Hypervisor 技術(shù)的分區(qū)可幫助開發(fā)生產(chǎn)和驗(yàn)證都經(jīng)濟(jì)高效的安全智能電網(wǎng)設(shè)備。 但是，安全不僅是分區(qū)。 需要許多其他如安全軟件設(shè)計(jì)等實(shí)踐來(lái)確保設(shè)備整體的安全性。 非重要部分的漏洞可能降低產(chǎn)品的可用性，即使這些漏洞對(duì)電網(wǎng)不造成威脅。 例如，智能電網(wǎng)設(shè)備用戶界面的損壞可能導(dǎo)致其不能再用了，或需要惱人的重置來(lái)清除問(wèn)題。 要避免此類問(wèn)題，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的所有部分都采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?，包括受信任和不受信任部分?分區(qū)是一個(gè)重要的工具，但只是整個(gè)安全架構(gòu)的一部分。

　　總結(jié)

　　智能電網(wǎng)設(shè)備易受網(wǎng)絡(luò)攻擊，特別是位于如 Internet 等公共網(wǎng)絡(luò)中。 要解決這些漏洞，開發(fā)人員可以轉(zhuǎn)向使用了安全 Hypervisor 和 Intel VT 的嵌入式虛擬化技術(shù)。以下是幾個(gè)將虛擬化用于智能電網(wǎng)設(shè)備的強(qiáng)有力的理由：

　　●虛擬化可使開發(fā)人員將多個(gè)系統(tǒng)整合成一個(gè)，從而節(jié)約材料單成本、減少大小、重量和電力，還可降低供應(yīng)鏈成本和復(fù)雜度。

　　●將系統(tǒng)的安全部分與非重要部分分開來(lái)可極大降低系統(tǒng)安全性驗(yàn)證成本。

　　●分區(qū)可使智能電網(wǎng)設(shè)備增加復(fù)雜性和功能（例如，添加 GUI 和新應(yīng)用程序），同時(shí)保持受信任分區(qū)更簡(jiǎn)單和易于維護(hù)。

　　●安全虛擬化可提高網(wǎng)絡(luò)安全性并減少攻擊漏洞。

　　盡管它不能解決每一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題，但是虛擬化為開發(fā)人員提供了一套重要的工具集，以滿足這個(gè)不斷發(fā)展的新市場(chǎng)的需求。 使用這些工具，開發(fā)人員可以進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，給自己帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。