近年來城市燃?xì)獍l(fā)展取得了巨大的進(jìn)步，尤其是智能燃?xì)獗淼膹V泛應(yīng)用，給企業(yè)和用戶帶來了諸多便利，但與此同時，也對信息安全提出了更高的要求。目前多數(shù)的智能燃?xì)獗碓趯?shí)際應(yīng)用中，往往缺少完備的安全防控手段，存在敏感信息泄漏或被篡改的風(fēng)險，嚴(yán)重威脅個人用戶隱私、企業(yè)商業(yè)信息甚至城市基礎(chǔ)設(shè)施的安全。本文提出一種基于SE（安全單元）的智能燃?xì)獗戆踩鉀Q方案，保障終端在接入、通信傳輸、數(shù)據(jù)存儲等各環(huán)節(jié)的安全，同時對密鑰分發(fā)、SE生產(chǎn)與集成等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了闡述。

作者：北京中電華大電子設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 王睿

智能燃?xì)獗響?yīng)用架構(gòu)

應(yīng)用背景
隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，智能燃?xì)獗硎袌龅囊?guī)模也不斷擴(kuò)展，根據(jù)中國計(jì)量協(xié)會燃?xì)馕瘑T會發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)，目前我國約有1.5億臺在線運(yùn)行的居民燃?xì)獗恚渲兄悄苋細(xì)獗?000-4000萬臺，2018年國內(nèi)智能燃?xì)獗硎袌鲆?guī)模已經(jīng)達(dá)到了66.77億元，同比增長18.48%。

圖 1 2012-2018年中國智能燃?xì)獗硎袌銮闆r

智能燃?xì)獗韺儆谥悄芑?jì)量儀表的范疇，通過終端集成的GPRS、NB-IoT、LoRa等傳輸模塊接入到通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，同時借助云平臺或業(yè)務(wù)平臺的數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制，能夠?qū)τ脩舻氖褂脭?shù)據(jù)進(jìn)行分析，提前預(yù)估用戶的使用量，實(shí)現(xiàn)分時、分地的能源傳輸，使管理更科學(xué)、更高效，同時大大降低了維護(hù)所需的人力資源成本。

整體架構(gòu)
智能燃?xì)獗淼漠a(chǎn)生與發(fā)展依托物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等諸多新興技術(shù)，因此其應(yīng)用架構(gòu)也由物聯(lián)網(wǎng)“云-管-端” 的架構(gòu)衍生而來，同時結(jié)合燃?xì)庑袠I(yè)實(shí)際的應(yīng)用需求，在各層級做了相應(yīng)的功能細(xì)化或系統(tǒng)分級。如圖2所示。

圖 2 智能燃?xì)獗響?yīng)用架構(gòu)

終端層
終端層，是指對信息進(jìn)行感知與采集的用戶終端的全體，是物聯(lián)網(wǎng)信息和數(shù)據(jù)的感知層。智能燃?xì)獗硗ㄟ^內(nèi)置的各種傳感器和通信模塊，與網(wǎng)絡(luò)對接完成中心管理平臺之間的數(shù)據(jù)交互。

網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層，是物聯(lián)網(wǎng)信息和數(shù)據(jù)的傳輸層或通訊基礎(chǔ)，將終端層采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層進(jìn)行進(jìn)一步的處理。不同的應(yīng)用場景和終端使用不同的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)和連接技術(shù)，包括NB-IoT/LoRa無線網(wǎng)絡(luò)、GRPS/CDMA無線公網(wǎng)、光纖專網(wǎng)等接入網(wǎng)，以及遠(yuǎn)距離廣域網(wǎng)通信服務(wù)的核心網(wǎng)。

平臺層
平臺層，是物聯(lián)網(wǎng)信息和數(shù)據(jù)的應(yīng)用層，以云計(jì)算服務(wù)為基礎(chǔ)，對通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并再次通過網(wǎng)絡(luò)層反饋給終端層，實(shí)現(xiàn)燃?xì)庑枨髠?cè)的管理以及管網(wǎng)建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)維等供給側(cè)的管理，并為用戶提供豐富、智能、便捷的特定服務(wù)。

安全體系建設(shè)思路

風(fēng)險分析
智能燃?xì)獗碜鳛橐活惖湫偷奈锫?lián)網(wǎng)終端，其網(wǎng)絡(luò)層的核心載體是互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)以及其他一些專用網(wǎng)絡(luò)，因此互聯(lián)網(wǎng)的諸多安全威脅仍然存在，例如服務(wù)阻斷、鏈路監(jiān)聽與劫持、未授權(quán)訪問、跳板及冒用、APT攻擊等等。

同時，由于燃?xì)獗砩⒉荚谌粘?yīng)用的物理環(huán)境中，很容易遭到攻擊，加之嵌入式終端的資源受限，其處理器能力、存儲空間有限，很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)有力的防護(hù)機(jī)制，更加增大了終端的安全風(fēng)險。

因此，相對于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)而言，智能燃?xì)獗淼倪\(yùn)營環(huán)境需要有更好的防范措施和災(zāi)難恢復(fù)機(jī)制，確保在遭受攻擊時整體系統(tǒng)仍可持續(xù)可靠的運(yùn)行。針對上述風(fēng)險背景及對應(yīng)的安全技術(shù)，總結(jié)出如下幾點(diǎn)基本的建設(shè)思路。

安全體系的建設(shè)時機(jī)
安全體系需要與應(yīng)用系統(tǒng)同時建設(shè)或盡早建設(shè)，后期增加額外的安全防護(hù)功能，不但會有諸多限制（硬件環(huán)境、軟件環(huán)境、接口等），而且相關(guān)的建設(shè)或改造費(fèi)用也會更高。同時，在識別安全風(fēng)險時，要從整體系統(tǒng)層面來考慮，使用多重防御策略來逐級管控安全威脅、抵御安全風(fēng)險。

安全防御的聚焦點(diǎn)
網(wǎng)絡(luò)層安全和平臺層安全，更多的是基礎(chǔ)設(shè)施安全與承載平臺的安全，在目前的技術(shù)條件下通常已具備成熟的防御機(jī)制。因此，智能燃?xì)獗戆踩淖罱K解決方案，應(yīng)該聚焦在核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（包括固件、指令、配置類數(shù)據(jù)）的安全，因?yàn)閷τ脩魜碚f，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是整個運(yùn)營系統(tǒng)的“生命線”，只有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全方案才是可控的。
業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全，更多的是體現(xiàn)在終端到平臺之間“端到端”的安全，即如何核實(shí)對方的真實(shí)身份、如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性、完整性與可用性，同時終端自身的安全也至關(guān)重要，包括如何保證固件程序的合法性、如何保證敏感數(shù)據(jù)存儲的安全性。

安全體系的技術(shù)路線
為保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全，應(yīng)為每臺終端提供唯一身份并配合完善的安全認(rèn)證機(jī)制，可基于對稱或非對稱密鑰體系，使終端自身擁有安全連接能力。對不同終端及后端云平臺之間的往來流量進(jìn)行加密，尤其是用戶信息、控制指令等敏感數(shù)據(jù)，且通過簽名或者強(qiáng)編碼保證完整性。

認(rèn)證和加密是保證合法身份以及通訊不被篡改的關(guān)鍵，將加密算法固化在一個專用的芯片（SE）內(nèi)，這種方式可有效避免因?yàn)橥ㄟ^軟件計(jì)算而導(dǎo)致的密鑰泄露，同時，芯片廠商在設(shè)計(jì)芯片時本身的安全性考慮更多，其自帶的算法協(xié)處理器可保證算法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量。目前隨著硬件成本越來越低，終端集成SE的方案層出不窮，并且這種趨勢后續(xù)會愈加明顯。

基于SE的安全解決方案

華大電子以智能燃?xì)獗淼陌踩枨鬄槠鯔C(jī)，將整個系統(tǒng)的安全聚焦在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全上，深入挖掘如何能夠通過硬件單元保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全，提出了基于SE（安全單元）的整體安全解決方案。

安全體系架構(gòu)
基于典型的智能燃?xì)獗響?yīng)用架構(gòu)，增加端到端的硬件級安全單元及服務(wù)接口，保障整個系統(tǒng)的運(yùn)行安全，安全體系架構(gòu)如下圖所示。

圖 3 安全體系架構(gòu)圖

在系統(tǒng)的接入層增加安全防御的相關(guān)機(jī)制，使其成為“安全網(wǎng)關(guān)”的角色，基于密鑰管理系統(tǒng)及算法體系，實(shí)現(xiàn)終端安全、鏈路安全、安全OTA以及安全的參數(shù)管理等功能。后端的運(yùn)營層及服務(wù)層保持不變，僅專注于業(yè)務(wù)相關(guān)的功能。相應(yīng)的，在終端層的燃?xì)獗韮?nèi)，增加硬件SE芯片，并基于SE配套的安全SDK，實(shí)現(xiàn)安全啟動、安全OTA、身份認(rèn)證以及安全通信等安全功能。

安全能力
基于上述安全體系架構(gòu)，終端與平臺間可建立起安全通信的可信鏈路，安全接入層承擔(dān)了登陸身份認(rèn)證及用戶之間機(jī)密數(shù)據(jù)的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)“端到端”的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全。

將整個安全體系所具備的安全能力抽象出來，主要包含以下四點(diǎn)：
身份認(rèn)證
終端在連接后臺系統(tǒng)之前，需要與其進(jìn)行雙向身份認(rèn)證，以確認(rèn)雙方的合法身份，并保證后續(xù)的安全通信。身份認(rèn)證流程完成之后，兩者之間即建立起一條可信鏈路。

具體的身份認(rèn)證流程與其采用的算法體系相關(guān)，如對稱體系、非對稱PKI體系、非對稱IBC體系，相關(guān)的密鑰、證書等數(shù)據(jù)，應(yīng)存儲在SE內(nèi)以保證安全。

通信加密
終端與后臺系統(tǒng)間完成雙向身份認(rèn)證之后，應(yīng)使用特定的密碼算法及流程，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄浴⑼暾院涂捎眯浴?

在此過程中使用的密鑰稱之為“會話密鑰”，通常為對稱密鑰，會話密鑰需定時更新，以進(jìn)一步提升通信鏈路的安全性。會話密鑰的生成可使用以下幾種方式：
基于非對稱體系的密鑰協(xié)商算法；
使用非對稱密鑰信封方式，交互對稱密鑰；
使用預(yù)置的對稱密鑰，通過衍生算法產(chǎn)生。

安全存儲
終端用到的敏感信息或關(guān)鍵參數(shù)，可安全存儲至SE內(nèi)。SE通過其文件系統(tǒng)來支持?jǐn)?shù)據(jù)的安全存儲，可針對不同的存儲數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)的安全策略，包括：
讀寫權(quán)限：指外部實(shí)體必須通過認(rèn)證SE內(nèi)相應(yīng)的密鑰，達(dá)到設(shè)置的安全級別，才能訪問對應(yīng)的數(shù)據(jù)。
線路保護(hù)機(jī)制：指數(shù)據(jù)的更新、讀取等操作，可根據(jù)設(shè)置使用明文、密文、明文+MAC或密文+MAC等方式來完成。
非法訪問次數(shù)超限鎖死：指外部實(shí)體對SE的認(rèn)證操作，其出錯次數(shù)如果超過了設(shè)置的重試上限，則鎖定對應(yīng)的密鑰或應(yīng)用，防止可能出現(xiàn)的非法攻擊。

固件防護(hù)
借助SE提供的密鑰和算法，通過簽名等機(jī)制，保護(hù)固件程序的合法性和可用性，實(shí)現(xiàn)OTA安全升級功能。
在OTA程序包下發(fā)之前，先使用安全啟動密鑰（BootKey）對代碼進(jìn)行加密，然后使用版權(quán)保護(hù)私鑰（PrivateKey）對其進(jìn)行簽名，這樣，在對代碼進(jìn)行加密的同時，也可驗(yàn)證程序的合法性和有效性。為適應(yīng)此機(jī)制，終端的Boot Loader需相應(yīng)的增加校驗(yàn)和解密操作.

密鑰體系
密碼算法體系
密碼算法體系包含對稱密鑰體系和非對稱密鑰體系，其中非對稱密鑰體系又包括PKI體系和IBC體系。實(shí)際應(yīng)用中，對稱密鑰主要用于對敏感數(shù)據(jù)的加密和校驗(yàn)，非對稱密鑰主要用于實(shí)現(xiàn)各實(shí)體間的身份認(rèn)證及數(shù)據(jù)簽名校驗(yàn)。
目前常用的算法包括：
對稱算法——SM1、SM4、AES、3DES；
非對稱算法——SM2、SM9、ECC、RSA；
雜湊算法——SM3、SHA256。

同密碼算法體系的對比如下： 

因此，對于資源受限的終端，可采用輕量級安全算法和安全協(xié)議，如基于對稱密鑰體系的身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密；對于資源較為豐富的終端，可提升安全等級，使用成熟的PKI或更易部署的IBC等安全防護(hù)體系。

密鑰管理及分發(fā)
密鑰體系的核心由密鑰管理系統(tǒng)（KMS）實(shí)現(xiàn)，是由管理客戶端、數(shù)據(jù)庫、加密機(jī)等軟硬件組成的系統(tǒng)，其密鑰管理及分發(fā)的機(jī)制如下圖所示。

SE安全設(shè)計(jì)
安全管理
SE內(nèi)預(yù)置SEID，固化在芯片中，不可篡改且具備唯一性。后期應(yīng)用階段的安全計(jì)算與SEID相關(guān)聯(lián)，作為唯一身份識別的標(biāo)識。
私鑰及對稱密鑰，通過安全環(huán)境在芯片內(nèi)部生成或預(yù)置,外界不可以獲取。
各項(xiàng)安全計(jì)算使用基于硬件的SM1、SM2、SM3、SM4等算法實(shí)現(xiàn)。
支持?jǐn)?shù)據(jù)安全存儲，可設(shè)置相應(yīng)的安全策略。

密鑰及數(shù)據(jù)
SE內(nèi)核心的密鑰及數(shù)據(jù)主要包括：
SEID
公開數(shù)據(jù)，存儲于不可修改的存儲區(qū)。
密鑰
公私鑰對，內(nèi)部生成
根CA公鑰
安全啟動密鑰
預(yù)留對稱密鑰
數(shù)字證書
簽名證書，由根CA私鑰簽發(fā)

安全SDK
終端在硬件層面集成SE之后，可在MCU編譯環(huán)境中集成SE配套的安全SDK庫文件，在相應(yīng)的業(yè)務(wù)內(nèi)容中調(diào)用安全SDK提供的安全服務(wù)接口，即可實(shí)現(xiàn)各類安全算法、密鑰管理和數(shù)據(jù)存儲等功能，而不用關(guān)心如何去組織、派發(fā)SE相關(guān)的指令集。

安全SDK的應(yīng)用架構(gòu)如下圖所示。

圖 5 安全SDK的應(yīng)用架構(gòu)

SE生產(chǎn)與集成
SE的生產(chǎn)過程，是指將特定的密鑰、數(shù)字證書等數(shù)據(jù)寫入到SE內(nèi)，以支持應(yīng)用階段的各項(xiàng)安全功能，也稱為發(fā)行過程。目前主流的發(fā)行模式包括預(yù)置和空發(fā)兩種方式：
預(yù)置模式：密鑰下裝發(fā)生在終端出廠之前，適用于批量生產(chǎn)，由SE制造商集中完成。在SE出廠前，SE制造商通過安全方式（SDK、專線、VPN、加密機(jī)等）從管理方的密鑰管理系統(tǒng)獲取密鑰、數(shù)據(jù)，并通過生產(chǎn)線程序?qū)懭隨E中。
空發(fā)模式：密鑰下裝發(fā)生在終端使用階段，主要用于證書和密鑰更新，由OTA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)證書到期、密鑰或數(shù)據(jù)需要更新時，由終端發(fā)起更新操作，通過OTA系統(tǒng)遠(yuǎn)程完成SE的升級發(fā)行。

SE的生產(chǎn)與集成的示意圖如下所示。

圖 6 SE生產(chǎn)與集成示意圖

總結(jié) 

在物聯(lián)網(wǎng)紛繁復(fù)雜的應(yīng)用場景下，智能燃?xì)獗碜鳛殛P(guān)乎城市安全、企業(yè)利益、國計(jì)民生的一類物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，針對其應(yīng)用構(gòu)建更為安全的防御體系，是推動行業(yè)創(chuàng)新、增進(jìn)民生福祉、提升社會價值的趨勢所在。華大電子始終堅(jiān)守與此，面向各類領(lǐng)域提供完善的安全解決方案，為整個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)提供強(qiáng)大的安全支撐。

引用自環(huán)球表計(jì)