智能電網(wǎng)信息安全實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的思考＊

葛 輝，劉程子，張騰飛，郭鴻浩

（南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院人工智能學(xué)院，江蘇 南京210023）

1 前言

智能電網(wǎng)對高級計(jì)量架構(gòu)（AMI）、智能電子設(shè)備（IED）、無線及現(xiàn)有的通信元件和系統(tǒng)的高度依賴，嚴(yán)重威脅智能電網(wǎng)及其相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，給經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行甚至國家安全帶來巨大挑戰(zhàn)[1]。

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)等的快速發(fā)展，傳統(tǒng)電網(wǎng)的功能變得強(qiáng)大的同時(shí)也面臨越來越高的安全威脅，逐步發(fā)展成為功能更加強(qiáng)大的智能電網(wǎng)，人們逐漸認(rèn)識到通信設(shè)備和IT設(shè)備對電力系統(tǒng)可靠性所起的重要作用。

針對智能電網(wǎng)的信息安全，開展真實(shí)有效的網(wǎng)絡(luò)攻擊破壞性試驗(yàn)還面臨技術(shù)瓶頸和經(jīng)濟(jì)支撐不足的雙重壓力。也正因此，越來越多的高校開始探索建立更符合高校條件的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺[2]。

而筆者所在單位經(jīng)過多年的積累，建成一整套包含軟硬件在內(nèi)的分布式智能微電網(wǎng)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)上實(shí)施實(shí)踐教學(xué)將更加符合教育部文件中所要求的專業(yè)人才的培養(yǎng)要求。

2 實(shí)驗(yàn)平臺介紹

筆者所在單位及其研究團(tuán)隊(duì)在南京郵電大學(xué)多個(gè)教學(xué)樓、圖書館、學(xué)生宿舍搭建了規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分布式智能微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺，不僅克服上述重重壓力和局限，同時(shí)還解決了遠(yuǎn)程訪問的問題。本課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)將在此實(shí)驗(yàn)平臺上開展，實(shí)驗(yàn)室的軟硬件設(shè)備的詳情及參數(shù)性能如表1所示。基于上述硬件平臺和性能要求，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了上層人機(jī)交互（HMI）界面，讓系統(tǒng)具備系統(tǒng)狀態(tài)查看、控制指令下達(dá)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、參數(shù)讀取等功能。

本實(shí)驗(yàn)平臺的軟件系統(tǒng)——“智慧能源管理系統(tǒng)”集成開發(fā)了系統(tǒng)總覽、一次系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、智能控制、告警查詢、設(shè)備管理、報(bào)表管理等功能。當(dāng)入侵者非法登錄之后，就可以獲得上述功能的查閱、數(shù)據(jù)讀取甚至是下達(dá)控制指令等權(quán)限。登錄系統(tǒng)之后，入侵者即獲得了讀取數(shù)據(jù)權(quán)限，可查看系統(tǒng)狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果、智能控制策略、告警信息、設(shè)備狀態(tài)等報(bào)表。通過權(quán)限設(shè)置，約束一般用戶對關(guān)鍵和敏感數(shù)據(jù)、信息的查詢等。

表1 實(shí)驗(yàn)平臺參數(shù)性能介紹

3 微電網(wǎng)信息安全實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文在研究智能電網(wǎng)信息安全技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于上述的硬件和軟件平臺，就如何在高校開展智能電網(wǎng)信息安全技術(shù)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教育和培訓(xùn)進(jìn)行思考，分別從基礎(chǔ)性演示實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。但是，考慮到真實(shí)攻擊對智能配電網(wǎng)系統(tǒng)會產(chǎn)生巨大破壞性，在設(shè)計(jì)攻擊目標(biāo)時(shí)，人為選擇一些低成本的負(fù)荷，例如燈泡、繼電器開關(guān)、小型的電機(jī)等作為攻擊目標(biāo)，這樣既能真實(shí)攻擊產(chǎn)生的破壞性影響，同時(shí)也可以控制實(shí)驗(yàn)的成本。

本課程將以智能電網(wǎng)系統(tǒng)中常見的安全威脅展開研究，分層次設(shè)計(jì)基礎(chǔ)演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)包含內(nèi)容、培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計(jì)。

本實(shí)驗(yàn)將主要模擬以下幾類安全威脅：非法登錄（易造成信息泄露）、拒絕服務(wù)（DoS）、篡改攻擊、重放攻擊、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同攻擊（攻擊類型多樣，特征復(fù)雜），通過對“威脅的加載影響監(jiān)測（記錄）防御策略設(shè)計(jì)威脅消除（安全運(yùn)行）”這樣安全控制流程來實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹如下。

3.1 安全威脅1：非法登錄模擬

通過演示非法登錄，提供數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果，讓學(xué)生了解和掌握系統(tǒng)是否存在權(quán)限被破解或者旁路操作，明確非法登錄的特性是什么，通過這些特性指標(biāo)鑒定是否存在非法登錄，進(jìn)而判定系統(tǒng)是否存在信息泄露安全威脅。該部分為演示性實(shí)驗(yàn)。

3.2 安全威脅2：DoS攻擊

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流量監(jiān)測功能，讓學(xué)生通過數(shù)據(jù)流的大小判定系統(tǒng)的DoS網(wǎng)絡(luò)攻擊情況以及此類攻擊對網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)的影響情況，通過這些指標(biāo)判定是否存在DoS網(wǎng)絡(luò)攻擊。根據(jù)遭遇攻擊的情況，從系統(tǒng)模型出發(fā)，選擇不同的事件觸發(fā)參數(shù)（或不同事件觸發(fā)機(jī)制），設(shè)計(jì)防御策略。

3.3 安全威脅3：重放攻擊

設(shè)計(jì)可以多時(shí)間尺度及多參數(shù)對比的功能，讓學(xué)生通過設(shè)計(jì)事件尺度的參數(shù)，來檢測和判斷系統(tǒng)是否存在重放攻擊，若發(fā)現(xiàn)存在重放攻擊，根據(jù)重放周期長短及周期數(shù)來判斷、分析其對系統(tǒng)的影響，然后引導(dǎo)學(xué)生利用其寫模型，根據(jù)系統(tǒng)控制性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)預(yù)測尺度和預(yù)測精度，利用模型預(yù)測補(bǔ)全信息，實(shí)現(xiàn)對重放攻擊的抵御。

3.4 安全威脅4：網(wǎng)絡(luò)協(xié)同攻擊

在3.3的基礎(chǔ)上，記錄、監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的多維參數(shù)的同時(shí)，將記錄、監(jiān)測數(shù)據(jù)與基于模型的預(yù)測計(jì)算得到的參數(shù)（理想?yún)?shù)）數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，記錄偏差，讓學(xué)生采用不同的統(tǒng)計(jì)算法（根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中的不同理論，如均方根法、卡方分布等算法），分析系統(tǒng)是否受網(wǎng)絡(luò)協(xié)同攻擊的影響，如果經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同攻擊，采用基于模型的預(yù)測方法，將不可信數(shù)據(jù)進(jìn)行替換。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從教學(xué)實(shí)踐的角度，設(shè)計(jì)課時(shí)及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如表2所示。

表2 智能電網(wǎng)信息安全實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容及課時(shí)安排

4 總結(jié)

根據(jù)智能電網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)的定位，結(jié)合筆者所在單位的硬件平臺條件，采用本文設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)方案，可以讓學(xué)生在掌握智能電網(wǎng)信息安全理論知識的基礎(chǔ)上，通過本文設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)的鍛煉，掌握數(shù)據(jù)分析、攻擊檢測和類型判定的方法，精準(zhǔn)把握攻擊的類型、危害程度等特征，提高靶向定位安全防御策略的選擇與設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力。