《International Journal of Critical Infrastructure Protection》：Securing IEC 61850 Systems Using Trusted Execution Environments and IEC 62351-6 Integration
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本文对适用标准——IEC 61850、IEC 62351-6:2020与IEC 62351-9:2023进行了系统性分析，首次提出一种基于可信执行环境（Trusted Execution Environment，TEE）的架构，用于在符合IEC 62351-6
本文对适用标准——IEC 61850、IEC 62351-6:2020与IEC 62351-9:2023进行了系统性分析，首次提出一种基于可信执行环境（Trusted Execution Environment，TEE）的架构，用于在符合IEC 62351-6:2020要求的前提下保障IEC 61850面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）消息认证安全。通过ARM TrustZone安全存储机制实现硬件强制的密钥保护，并采用基于硬件唯一密钥（Hardware Unique Key，HUK）派生的加密方案，确保流量加密密钥（Traffic Encryption Key，TEK）无法从富执行环境（Rich Execution Environment，REE）中访问。在ARM Cortex-A53平台上，采用AES-128-GMAC认证帧生成方案实现了平均端到端延迟152微秒，相对于IEC 61850规定的3毫秒约束具有94.9%的余量。研究对IEC 61850、IEC 62351-6:2020及IEC 62351-9:2023进行了严格的规范性分析，将所提架构建立在标准所定义的具体安全与时间义务基础之上。此外，研究将智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）虚拟化与基于TEE的密码隔离相集成，支持在商用嵌入式硬件上灵活、可扩展地部署安全的虚拟IED。
一、研究背景与问题
随着电力系统数字化转型的深入推进，国际电工委员会（IEC）于2004年制定了IEC 61850标准，旨在实现变电站通信的厂商无关性、互操作性与高效率。然而，IEC 61850标准本身并未定义身份认证、完整性保护或机密性等安全机制，这在其严格的实时性要求下构成了显著挑战。IEC 61850消息以无安全机制的方式传输，带来了严重风险，尤其是跳闸（Trip）型GOOSE消息——该类消息承载异常事件后保护动作的关键信息。针对变电站最常见的攻击包括：欺骗与注入攻击（攻击者捕获、修改或生成伪造消息以触发保护装置的非预期动作）、重放攻击（复用先前捕获的消息激活错误功能）、状态编号（stNum）字段操纵（通过强制接收方拒绝合法消息造成拒绝服务攻击）以及洪泛攻击（大量虚假流量阻止真实消息在要求时间窗口内被处理）。这些攻击可导致监测、控制与保护通信的中断，引发不必要的操作或变电站内的严重故障。因此，确保GOOSE消息的真实性与完整性至关重要。IEC 62351标准于2007年发布，为TC 57系列标准提供安全解决方案。其中IEC 62351-6:2020提出在GOOSE消息中采用基于对称密钥的HMAC-SHA256与AES-GMAC认证机制。然而，由于IEC 61850严格的3毫秒传输时间约束以及GOOSE通信的多播特性，加密方案在实际部署中并不可行。现有研究虽分别从专用硬件实时性保障或混合软件检测能力角度提出解决方案，但在虚拟化IED环境中提供硬件强制隔离以保护密钥方面仍存在关键空白，这正是本研究的出发点。
二、研究内容与结论
本研究提出一种结合容器化IED功能与TEE的概念架构，用于安全的GOOSE消息处理。该架构基于ARM TrustZone使能平台，利用OP-TEE将硬件划分为非安全区（REE）与安全区（TEE）。在REE中部署四个虚拟化组件：虚拟合并单元（vMU）生成模拟物理合并单元测量的虚拟采样值（SV）；虚拟IED1（vIED1）订阅vMU发布的SV流，检测到关键异常时生成跳闸型GOOSE消息；虚拟IED2（vIED2）订阅vIED1发布的GOOSE流并仅处理其配置订阅的消息；虚拟记录器（vLogger）依据IEC 62351-6要求负责安全事件记录。TEE内实现两个可信应用（TA）：一个用于发布端AES-GMAC标签计算，一个用于订阅端MAC验证。两个TA均使用CAAM硬件加速器执行密码运算，TEK安全存储在Secure Storage中并由HUK派生密钥保护。实验在Variscite VAR-SOM-MX8M-PLUS模块（基于NXP i.MX 8M Plus SoC，四核ARM Cortex-A53）上进行，结果表明AES-128-GMAC平均端到端延迟为152微秒（P99为176微秒），相对于3毫秒约束具有94.9%的余量；HMAC-SHA256平均延迟为254微秒（P99为294微秒），两者均满足实时性要求。该研究证实了TEE作为保障IEC 61850 GOOSE通信安全的实用机制在符合IEC 62351-6:2020要求的同时不损害标准严格时序要求的可行性。
三、关键技术方法
研究人员采用以下主要关键技术方法：基于ARM TrustZone硬件安全技术的OP-TEE可信执行环境，实现REE与TEE的硬件级隔离；Secure Storage安全存储机制，利用HUK派生密钥对TEK进行加密存储；CAAM硬件密码加速器，用于AES-128-GMAC与HMAC-SHA256的硬件加速计算；共享内存机制实现REE与TEE间的高效数据交换；IED功能虚拟化技术，在REE中部署vMU、vIED1、vIED2与vLogger四个虚拟化组件；IEC 62351-6定义的重放保护状态机；以及基于IEC 62351-9:2023与RFC 8052的GDOI密钥分发框架（研究假设密钥分发已完成）。
四、研究结果
4.1 算法选择的影响
在IEC 62351-6:2020定义的四种算法中，研究人员评估了AES-128-GMAC与HMAC-SHA256作为各算法族的代表。AES-128-GMAC实现平均端到端延迟152微秒（P99：176微秒），而HMAC-SHA256平均需要254微秒（P99：294微秒），平均延迟增加67%。两种算法均远在3毫秒T1预算之内，平均余量分别为94.9%和91.5%。尽管AES-GMAC需要显式IV字段导致MAC域更大（144字节对130字节），其延迟仍更低，这主要归因于AES-GMAC对输入数据单次处理，而HMAC需两次应用SHA-256压缩函数。阶段（3）TEE调用占总延迟的95.4%，包含REE-TEE上下文切换与CAAM硬件加速的AES-128-GMAC计算。
4.2 时间预算分析
根据IEC 61850-5，GOOSE消息总传输时间定义为t = t_a + t_b + t_c。IEC 61850-10规定测量的输出与输入延迟各不得超过总传输时间的40%，剩余20%预留给网络延迟t_b。对于Type 1A消息，t_a + t_c合计处理时间上限为2.4毫秒。AES-128-GMAC平均端到端延迟152微秒，P99为176微秒，分别具有94.9%和94.1%的余量。IEC 62351-6安全扩展增加的帧大小在100 Mbps过程总线上的额外传输时间仅为几微秒，不足3毫秒规范性约束的0.2%，可忽略不计。测量结果来自REE中直接运行的非容器化应用，应视为延迟下界。
4.3 密钥存储与管理安全
TEE内Secure Storage的使用确保TEK永不离开安全环境，对REE中运行的任何软件（包括可能被攻陷的操作系统）均不可访问。TEK的保护通过HUK派生加密进一步加强。ARM TrustZone使能平台通常支持安全启动，建立从SoC制造时烧录的根信任到启动加载程序、OP-TEE及TA的信任链，每个组件在执行前均经过密码验证，缓解了针对REE的常见供应链攻击。
4.4 实现考虑与局限性
研究发现广泛使用的libiec61850库不支持IEC 62351-6引入的Extension字段，因此需要自定义C语言实现以按标准组装完整认证GOOSE帧。该局限性并非本架构特有，而是反映了当前开源IEC 61850工具生态的更广泛缺口。分层架构支持各层级独立固件更新：REE组件更新不影响TEE或Secure Storage中的密钥；TA更新可独立应用，OP-TEE管理其生命周期并在加载前验证签名。虽然零日攻击场景评估超出研究范围，ARM TrustZone的硬件隔离设计即使在攻击者通过未知漏洞完全控制REE时仍保持有效。
五、讨论与结论
研究结果表明，TEE引入的开销与IEC 61850跳闸型GOOSE通信的实时约束完全兼容。AES-128-GMAC因其单次处理特性在延迟方面优于HMAC-SHA256，且与文献报道一致。TEE调用阶段是主要延迟贡献者，但CAAM硬件加速显著降低了密码计算时间。虚拟化IED功能提供灵活性、可扩展性与成本效益，TEE集成确保认证操作在隔离安全环境中执行，TEK永不离开TEE。研究结论指出：自IEC 61850标准引入以来，其缺乏内置安全机制一直是主要挑战；IEC 62351-6正是为弥补这一缺口而制定。然而由于IEC 61850的严格时序要求，当前GOOSE消息（包括承载电网运行高度敏感信息的跳闸型消息）仍无密码保护传输。本研究提出的概念架构从理论角度为增强变电站GOOSE消息安全提供了可靠解决方案，同时满足IEC 62351-6的安全要求与IEC 61850的严格传输时间要求。可行性评估证实TEE开销与跳闸型GOOSE通信的实时约束兼容，平均端到端延迟152微秒，支持TEE作为保障IEC 61850 GOOSE通信安全、符合IEC 62351-6:2020且不损害标准严格时序要求的实用机制。未来工作将评估容器化部署场景下的额外开销。
