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1  引言

云計(jì)算已經(jīng)在很多領(lǐng)域有服務(wù)場(chǎng)景，主要包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)IaaS、平臺(tái)即服務(wù)PaaS、軟件即服務(wù)SaaS三種類型，云計(jì)算支持計(jì)算資源按需分配和擴(kuò)展，私有云、公有云以及混合云滿足了大部分的應(yīng)用需求。但是由于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量都呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，距離終端邊緣的距離較大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲和QoS的不穩(wěn)定，絕對(duì)的物理距離使得數(shù)據(jù)中心到終端的指令和計(jì)算不能實(shí)時(shí)滿足終端服務(wù)需求。基于云的集中式大數(shù)據(jù)處理模式已經(jīng)不能完全滿足多樣化的應(yīng)用需求，特別是在工業(yè)4.0時(shí)代，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、可穿戴醫(yī)療系統(tǒng)、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施終端節(jié)點(diǎn)監(jiān)控、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)乃至元宇宙等場(chǎng)景中。為解決類似的問題，邊緣計(jì)算采用在終端處理部分?jǐn)?shù)據(jù)的形式提供另一種計(jì)算服務(wù)，能有效避免延遲和網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)等問題。邊緣計(jì)算邏輯示意圖如圖1所示。

圖1 邊緣計(jì)算邏輯示意圖

邊緣計(jì)算的目的是降低網(wǎng)絡(luò)消耗，提高實(shí)時(shí)性，處理和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[1]。安全性是邊緣計(jì)算面臨的主要挑戰(zhàn)之一，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全屬性中的機(jī)密性、完整性以及可靠性仍然需要解決，部分學(xué)者開展了相應(yīng)的研究。邊緣云計(jì)算設(shè)備面臨部署地點(diǎn)人員復(fù)雜、安全機(jī)制不足、硬件安全不足等問題[2]。同時(shí)其設(shè)備靠近終端，擁有大量的私人用戶信息和豐富的數(shù)字資產(chǎn)，因此非常容易受到攻擊。文獻(xiàn)[3]提出一種邊緣計(jì)算設(shè)備的態(tài)勢(shì)感知模型，在邊緣節(jié)點(diǎn)對(duì)其自身的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣分析不同時(shí)刻下系統(tǒng)的狀態(tài)是否正常，對(duì)系統(tǒng)可能遭遇的攻擊進(jìn)行警示和檢測(cè)，以達(dá)到保護(hù)邊緣設(shè)備安全的目的。文獻(xiàn)[4]從移動(dòng)邊緣計(jì)算的設(shè)備、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)資源以及任務(wù)和遷移安全四個(gè)維度提出了動(dòng)態(tài)場(chǎng)景有限資源防御模型、綜合信任基礎(chǔ)資源部署等處理策略。文獻(xiàn)[5]對(duì)邊緣云計(jì)算安全做了總結(jié)和概括。文獻(xiàn)[6]從范式的角度分析了邊緣云固有的安全威脅、挑戰(zhàn)和機(jī)制。文獻(xiàn)[7]提出鐵路MEC端到端安全服務(wù)方案和未來智能鐵路MEC安全研究的發(fā)展方向。文獻(xiàn)[8]針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)（IoV）中云計(jì)算的高時(shí)延、數(shù)據(jù)泄露和惡意車輛節(jié)點(diǎn)篡改數(shù)據(jù)等問題，提出了一種基于區(qū)塊鏈與云-邊緣計(jì)算混合架構(gòu)的IoV數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)與共享方案。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為采用分層的安全措施與整體的安全監(jiān)測(cè)和運(yùn)營是解決邊緣計(jì)算安全的有效途徑。其從安全目標(biāo)、安全管理、安全技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹贫▽ｉT的邊緣計(jì)算安全框架提出了幾點(diǎn)建議。文獻(xiàn)[10]在安全架構(gòu)設(shè)計(jì)、防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)、身份驗(yàn)證和授權(quán)協(xié)議以及隱私保護(hù)機(jī)制的背景下，總結(jié)了基于邊緣的物聯(lián)網(wǎng)安全研究工作，提出了對(duì)未來研究方向和開放研究問題的見解。

2 邊緣計(jì)算安全威脅

云計(jì)算使得大部分計(jì)算的資源傾向于數(shù)據(jù)中心，而邊緣計(jì)算則會(huì)在一些場(chǎng)合分擔(dān)中心的部分計(jì)算任務(wù)，在邊緣計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，在終端存在部分需要及時(shí)處理的運(yùn)算需求，而這些需求通常對(duì)低延遲有較高的要求。比如說輸油管道的完整性檢測(cè)。若是邊緣節(jié)點(diǎn)捕獲異常即應(yīng)實(shí)時(shí)做出進(jìn)一步的指令操作，而不是將數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)中心等待指令。推而廣之，邊緣計(jì)算會(huì)產(chǎn)生與之而來的安全問題，這種安全問題通常伴隨著邊緣計(jì)算的場(chǎng)景而發(fā)生。例如在輸油管道的實(shí)時(shí)處置過程中，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的某一個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的失效會(huì)導(dǎo)致對(duì)事件處理不及時(shí)而產(chǎn)生一系列嚴(yán)重的后果。

邊緣計(jì)算架構(gòu)的節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和能量均受限，因此更容易獲取攻擊者的關(guān)注。邊緣計(jì)算邏輯上分為兩層，一層為云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，一層為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，兩層之間通過不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)連接。其中，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心是集中的大型數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)場(chǎng)所，包括的設(shè)備有大型服務(wù)器、大型存儲(chǔ)設(shè)備等；邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)資源受限情況下的實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù)，包括輕量級(jí)的計(jì)算模塊、存儲(chǔ)模塊；連接網(wǎng)絡(luò)包括有線連接（TCP/IP）和無線連接（ZigBee、藍(lán)牙、NFC、IEEE 802.11 a/b/c/g/n和衛(wèi)星鏈路）或兩者的復(fù)合[1] ，邊緣計(jì)算構(gòu)件體系結(jié)構(gòu)邏輯示意圖如圖2所示。

圖2 邊緣計(jì)算構(gòu)件體系結(jié)構(gòu)邏輯示意圖

針對(duì)邏輯架構(gòu)可以分析得出，邊緣計(jì)算自身存在的弱點(diǎn)以及可能面臨的網(wǎng)絡(luò)安全威脅。安全威脅包括邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)本身、計(jì)算節(jié)點(diǎn)與控制設(shè)備之間、計(jì)算節(jié)點(diǎn)與云計(jì)算數(shù)據(jù)中心之間等多個(gè)環(huán)節(jié)。可靠性方面包括物理破壞、冗雜失敗、中間人攻擊等風(fēng)險(xiǎn)；訪問控制方面包括非授權(quán)訪問、加密算法被破解等風(fēng)險(xiǎn)；網(wǎng)絡(luò)傳輸方面的安全問題與傳統(tǒng)的云計(jì)算基本一致，包括拒絕服務(wù)攻擊（DoS）、連接數(shù)據(jù)泄露等風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)通過入侵云計(jì)算數(shù)據(jù)中心亦可造成相應(yīng)的安全威脅。

3 邊緣計(jì)算防御技術(shù)

邊緣計(jì)算應(yīng)致力于確保服務(wù)的可靠性和可用性，邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)直接參與實(shí)時(shí)運(yùn)算和發(fā)布對(duì)應(yīng)的指令到現(xiàn)實(shí)物理世界，因此我們需要從這個(gè)角度去設(shè)計(jì)邊緣計(jì)算的防御架構(gòu)。具有內(nèi)生安全性質(zhì)的邊緣計(jì)算邏輯架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 具有內(nèi)生安全性質(zhì)的邊緣計(jì)算邏輯架構(gòu)圖

3.1   安全體系架構(gòu)

2016年攻擊者用攻陷的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)起DDoS攻擊，造成了DNS服務(wù)器的服務(wù)中斷[10]。將安全監(jiān)測(cè)模塊向邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)遷移，在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)部署必要的入侵檢測(cè)模塊能有效避免節(jié)點(diǎn)被劫持，同時(shí)應(yīng)采用可靠的加密算法保障通信的機(jī)密性。安全體系架構(gòu)中應(yīng)用權(quán)重來區(qū)分不同重要性的邊緣云計(jì)算節(jié)點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵計(jì)算節(jié)點(diǎn)增設(shè)冗余節(jié)點(diǎn)以應(yīng)對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)失效的場(chǎng)景，整體上有效提高邊緣計(jì)算的業(yè)務(wù)可持續(xù)性。

3.2   節(jié)點(diǎn)防火墻模塊

設(shè)計(jì)部署輕量級(jí)的防火墻，采用白名單機(jī)制，遵循最小權(quán)限通過原則，過濾非授權(quán)的協(xié)議流量，定期將惡意訪問IP以及行為回傳至云數(shù)據(jù)安全中心做進(jìn)一步的研判。

3.3   入侵檢測(cè)模塊

部署分布式安全網(wǎng)關(guān)，納管邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，賦予安全網(wǎng)關(guān)態(tài)勢(shì)感知的計(jì)算能力，從本質(zhì)上提升安全感知和應(yīng)對(duì)能力，增強(qiáng)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的入侵檢測(cè)感知能力。

3.4   態(tài)勢(shì)感知

結(jié)合云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的強(qiáng)大計(jì)算能力，建立云計(jì)算數(shù)據(jù)中心和邊緣節(jié)點(diǎn)協(xié)同的安全態(tài)勢(shì)感知平臺(tái)，定期捕獲來自防火墻和入侵監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)分析相關(guān)數(shù)據(jù)，掌握邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的安全情況，及時(shí)做出防御策略修正。

4  邊緣云安全未來挑戰(zhàn)

隨著參與計(jì)算的軟硬件組件以及應(yīng)用場(chǎng)景的增多，邊緣計(jì)算面臨的安全威脅仍在逐步增多。邊緣計(jì)算安全架構(gòu)要實(shí)現(xiàn)內(nèi)生安全，應(yīng)遵循安全設(shè)計(jì)與邊緣計(jì)算應(yīng)用同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)實(shí)施，不走先實(shí)施后安全的老路。在具體的實(shí)踐中，應(yīng)最大限度地降低邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)暴露的受攻擊面，從本質(zhì)上減少邊緣層受到攻擊的可能性。物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等方面的攻擊解決方案有待進(jìn)一步具體研究。  AP

作者簡(jiǎn)介：

楊德全  （1980-），山西人，助理研究員、工程師，博士，現(xiàn)就職于北京理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)中心，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用安全、安全審計(jì)、網(wǎng)絡(luò)安全教育。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年2月刊