Forskning och tillämpning av kommunikationssäkerhetsstrategier för smarta mätare

1. Säkerhetshot mot kommunikationen för intelligenta mätare

1.1 Hot på fysisk nivå
Hot på fysisk nivå avser faktorer som skadar eller stör hårdvaruenheter och fysiska anslutningar för intelligenta mätare, vilket direkt påverkar deras normala drift och dataöverföring. Från synvinkeln av utrustningsskador kan hårda naturliga miljöer såsom blixtar, översvämningar och jordskalv direkt förstöra de elektroniska kretsarna och strukturerna i intelligenta mätare, vilket gör dem oanvändbara. Till exempel kan en kraftfull blixtström tränga in i interna elektroniska komponenter, orsaka kortslutningar eller skador, vilket påverkar energimätningens noggrannhet och den normala datainsamlingen. Obehörig människlig handling, såsom olagligt demontering eller fysisk påverkan, kan också undergräva mätarens fysiska integritet.

1.2 Hot på datalänkningsnivå
Hot på datalänkningsnivå handlar huvudsakligen om manipulering av dataframer och IP-adressförfalskning under överföringen, vilket kan kompromettera dataintegriteten och äktheten. Manipulering av dataframer inträffar när en angripare avlyssnar en dataframe på datalänkningsnivån, modifierar dess innehåll och sedan vidarebefordrar den modifierade framen. Angripare kan ändra viktig information som energiförbrukningsdata eller användardetaljer för olagliga ändamål. Till exempel kan de minska en användares registrerade elanvändning för att sänka deras räkning, vilket leder till ekonomiska förluster för elbolaget.

1.3 Hot på nätverksnivå
Säkerhetshot på nätverksnivå inkluderar huvudsakligen nätverkskonstellation och man-in-the-middle-attacker, båda kan allvarligt påverka den normala drift och dataöverföring av kommunikationsnät för intelligenta mätare. Nätverkskonstellation uppstår när datafarten överskrider nätverkets kapacitet, vilket leder till prestandaförsämring. Med ökande antal intelligenta mätare och frekvens av dataöverföring ökar nätverkstrafiken. När bandbredden är otillräcklig uppstår konstellation, vilket leder till överföringsfördröjningar och paketförlust, vilket påverkar tidspressningen och noggrannheten av data från intelligenta mätare. Under perioder med hög elförbrukning kan samtidiga dataöverföringar från många mätare orsaka konstellation, vilket hindrar elbolag från att få tillgång till aktuell och korrekt användningsinformation, vilket påverkar planeringen och hanteringen av elkraftsystem.

1.4 Hot på applikationsnivå
Hot på applikationsnivå fokuserar huvudsakligen på dataleakage och malware-attacker, vilket direkt påverkar användarnas integritet och elkraftsystemets säkerhet. Dataleakage innebär att känsliga data – som personuppgifter och energiförbrukningsrekord – olagligt erhålls och exponeras för tredje part. Även om sådana data är viktiga för elbolagens förvaltning och nätoptimering, kan exponeringen leda till integritetsintrång och spam. Angripare kan kompromettera den intelligenta mätarens applikation för att stjäla användningsdata och sälja det till tredje part för kommersiell marknadsföring.

2. Forskning om säkerhetsstrategier för kommunikation av intelligenta mätare

2.1 Krypteringsteknik
Kryptering är en nyckelmetod för att säkerställa säker kommunikation för intelligenta mätare, skyddar datakonfidentialiteten och integriteten under överföring och lagring. Symmetriska krypteringsalgoritmer, som AES (Advanced Encryption Standard), används ofta på grund av sin höga hastighet och effektivitet. I kommunikation för intelligenta mätare kan AES kryptera insamlade data så att endast avsedd mottagare med rätt nyckel kan dekryptera det. Till exempel, när en intelligent mätare skickar energidata till en elbolagsserver, krypteras datan med AES; servern dekrypterar det med samma nyckel. Detta säkerställer att även om datan avlyssnas, förblir den oläslig för angripare utan nyckeln.

Asymmetriska krypteringsalgoritmer som RSA spelar en viktig roll i säker nyckelutbyte. Eftersom kommunikerande par inte nödvändigtvis delar en gemensam nyckel från början, behövs en säker metod. Asymmetrisk kryptering använder en offentlig nyckel (som kan delas) och en privat nyckel (som hålls hemlig). Vid nyckelutbyte krypterar avsändaren nyckeln med mottagarens offentliga nyckel. Mottagaren dekrypterar den sedan med sin privata nyckel för att få den faktiska nyckeln.

2.2 Autentiseringsteknik
Autentisering säkerställer legitimiteten hos kommunikerande parter och inkluderar både användar- och enhetsautentisering. Användarautentisering verifierar identiteten hos den person som åtkommer mätaren, och tillåter endast auktoriserade användare att operera den. Vanliga metoder inkluderar lösenord, fingeravtryck och digital certifikatautentisering. Till exempel, när en användare loggar in på ett mätarsystem måste de ange rätt användarnamn och lösenord. Systemet jämför inmatningen med sparade autentiseringsuppgifter och ger åtkomst endast om de matchar. Även om lösenordsbaserade metoder är enkla, riskerar de exponering. Förbättrad säkerhet kan uppnås genom flerfaktorsautentisering, till exempel genom att kombinera lösenord med SMS-verifieringskoder.

2.3 Åtkomstkontrollteknik
Åtkomstkontroll hanterar och begränsar resursåtkomsten inom system för intelligenta mätare, huvudsakligen genom rollbaserad åtkomstkontroll (RBAC) och åtkomstkontrollistor (ACL). RBAC tilldelar behörigheter baserat på användarroller. I ett system för intelligenta mätare har olika roller olika ansvarsområden: underhållspersonal kan konfigurera och underhålla mätare, medan vanliga användare bara kan visa sina egna användningsdata. Systemet ger åtkomsträttigheter enligt detta, vilket förhindrar obehörig åtkomst och förbättrar säkerheten.

2.4 Säkerhetsgransknings teknik
Säkerhetsgranskning övervakar och utvärderar säkerhetstillståndet för system för intelligenta mätare, huvudsakligen genom loggboksföring/analys och anomalidetektion. Loggboksföring registrerar olika operationer och händelser (t.ex. användarinloggningar, dataöverföringar, enhetsstatus). Genom att analysera dessa loggar kan misstänkta aktiviteter som obehörig åtkomst eller datamanipulering identifieras. Till exempel kan personal från elbolag regelbundet granska loggar för att upptäcka och åtgärda säkerhetsrisker.

Anomalidetektion innefattar realtidsövervakning av systemdata för att identifiera ovanlig beteende eller mönster. Tekniker som maskininlärning och datagrävning kan modellera normalt beteende och flagga signifikanta avvikelse. Till exempel, om en mätares energiförbrukning plötsligt ökar, kan systemet utlösa en varning, vilket uppmanar personal att undersöka. Detta möjliggör tidig identifiering av potentiella hot, vilket säkerställer säker och stabil drift av kommunikationssystemet.

3. Slutsats
Med den kontinuerliga framåtskridandet av smarta elnätstekniker och allt mer komplexa kommunikationsmiljöer fortsätter säkerheten i kommunikationen för intelligenta mätare att stå inför många utmaningar. Framtida insatser måste fokusera på ytterligare forskning och innovation inom säkerhetstekniker, och ständigt förbättra säkerhetsstrategier för att motverka utvecklande hot.