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1　引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)的快速發(fā)展，萬物互聯(lián)的趨勢不斷加深，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能設(shè)備越來越多地滲透到人們的日常生活，智能電網(wǎng)、智慧城市、自動駕駛等新型業(yè)務(wù)模式不斷涌現(xiàn)，智能設(shè)備數(shù)量將呈爆炸式增長，據(jù)IDC預(yù)測，到2020年全世界將有多達(dá)500億的智能設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng) ^[1]，如圖1所示。隨之而來的是終端產(chǎn)生的“海量級”數(shù)據(jù)，以工業(yè)現(xiàn)場為例，單個攝像頭1080p格式視頻在4Mbps碼率下每天將產(chǎn)生330G的視頻數(shù)據(jù)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備增長趨勢

海量終端設(shè)備互聯(lián)模式對資源請求的響應(yīng)時間和安全性提出了更高的要求，云計(jì)算^[3]的“按需付費(fèi)”模式使企業(yè)及最終用戶在擁有和管理數(shù)據(jù)上擺脫了許多細(xì)節(jié)的約束，如存儲資源、計(jì)算限制和網(wǎng)絡(luò)通信成本等。但是在工業(yè)現(xiàn)場等延遲敏感的應(yīng)用環(huán)境中，當(dāng)數(shù)以百萬的智能設(shè)備請求服務(wù)時，當(dāng)前的云計(jì)算架構(gòu)很難滿足智能設(shè)備對移動支持、位置感知和低延遲的需求。由此催生了在邊緣側(cè)數(shù)據(jù)處理的模式，即邊緣計(jì)算（Edge Computing） ^[2]，并得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。邊緣計(jì)算通過賦予邊緣側(cè)的智能設(shè)備執(zhí)行計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力，結(jié)合當(dāng)前的云計(jì)算集中式數(shù)據(jù)處理模型，降低了云中心的計(jì)算負(fù)載，減緩了網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，提高了海量設(shè)備數(shù)據(jù)的處理效率。

邊緣計(jì)算作為以網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備為核心的新型計(jì)算模式，為解決時延和網(wǎng)絡(luò)帶寬負(fù)載問題帶來極大的便利，支持將云中心任務(wù)向網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)遷移，將服務(wù)帶到離邊緣更近、范圍更廣的地方。通過部署邊緣服務(wù)設(shè)備（如邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、私有云等），服務(wù)可以駐留在邊緣設(shè)備上，在處理海量數(shù)據(jù)的同時還可以確保高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營和服務(wù)交付。但是由于這種邊緣側(cè)計(jì)算服務(wù)模式的復(fù)雜性、數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、終端資源受限等特性，邊緣計(jì)算的安全防護(hù)面臨著新的挑戰(zhàn)^[4]，傳統(tǒng)的云環(huán)境下的信息安全問題在邊緣計(jì)算場景中尤為突出，亟待開展適用于邊緣計(jì)算的安全技術(shù)^[5]。

本文闡述了邊緣計(jì)算的產(chǎn)生、概念，以及參考架構(gòu)的特點(diǎn)，分析了邊緣計(jì)算范式下的身份認(rèn)證和隱私保護(hù)的安全需求，總結(jié)了近年來可能適用于邊緣計(jì)算安全與隱私保護(hù)的研究成果，剖析了方案的可擴(kuò)展性和適用性，并指出了邊緣計(jì)算在身份認(rèn)證和隱私保護(hù)方面的未來技術(shù)發(fā)展方向。

2　邊緣計(jì)算架構(gòu)與安全挑戰(zhàn)

2.1　邊緣計(jì)算參考架構(gòu)

目前邊緣計(jì)算尚處于發(fā)展階段，還未形成嚴(yán)格、統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)，不同組織對邊緣計(jì)算的定義和側(cè)重點(diǎn)都不相同。邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在《邊緣計(jì)算參考架構(gòu)2.0》[6]中提出：“邊緣計(jì)算是融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲、應(yīng)用核心能力的開放平臺，在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，就近提供智能互聯(lián)服務(wù)，滿足行業(yè)在業(yè)務(wù)實(shí)時、業(yè)務(wù)智能、數(shù)據(jù)聚合與互操作、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。”并給出了邊緣計(jì)算參考架構(gòu)2.0，如圖2所示。

圖2 邊緣計(jì)算參考架構(gòu)

邊緣計(jì)算參考架構(gòu)在每層提供了模型化的開放接口，實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)的全層次開放。邊緣計(jì)算參考架構(gòu)通過縱向管理服務(wù)、數(shù)據(jù)全生命周期服務(wù)、安全服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的全流程、全生命周期的智能服務(wù)。

智能服務(wù)是基于模型驅(qū)動的統(tǒng)一服務(wù)框架，通過開發(fā)服務(wù)框架和部署運(yùn)營服務(wù)框架實(shí)現(xiàn)開發(fā)與部署智能協(xié)同，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件開發(fā)接口一致和部署運(yùn)營自動化。

業(yè)務(wù)Fabric通過定義端到端的業(yè)務(wù)流和工作負(fù)載，由多種類型的功能服務(wù)按照一定邏輯關(guān)系組成和協(xié)作，和OICT基礎(chǔ)設(shè)施、硬件平臺等解耦，屏蔽技術(shù)細(xì)節(jié)并支持跨技術(shù)平臺，支撐業(yè)務(wù)敏捷。

聯(lián)接計(jì)算是一個虛擬化的服務(wù)層，可以屏蔽邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性，降低智能分布式架構(gòu)在數(shù)據(jù)一致性、容錯處理等方面的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)資源服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、統(tǒng)一管理和編排，支持ECN節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)和知識模型的共享，支持業(yè)務(wù)負(fù)載的動態(tài)調(diào)度和優(yōu)化，支持分布式的決策和策略執(zhí)行。

邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)(ECN，Edge Computing Node)兼容多種異構(gòu)聯(lián)接、支持實(shí)時處理與響應(yīng)、提供軟硬一體化安全等，網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備不僅扮演著服務(wù)請求者的角色，而且還需要執(zhí)行部分計(jì)算任務(wù)，包括數(shù)據(jù)存儲、處理、搜索、管理和傳輸?shù)取?/p>

在邊緣計(jì)算場景中，由于終端設(shè)備數(shù)量的爆炸式增長和復(fù)雜業(yè)務(wù)的高實(shí)時性需求，傳統(tǒng)的集中式業(yè)務(wù)處理方式將會轉(zhuǎn)變?yōu)樵?邊的雙向計(jì)算模式，在這種復(fù)雜的計(jì)算范式下，多實(shí)體之間的身份識別以及實(shí)體間跨信任域驗(yàn)證等問題變得更加突出。

2.2　邊緣計(jì)算身份認(rèn)證和隱私保護(hù)技術(shù)挑戰(zhàn)

本文主要從身份認(rèn)證和隱私保護(hù)等角度對邊緣計(jì)算的信息安全需求進(jìn)行分析，在邊緣計(jì)算中，由于不同的部署選擇，邊緣計(jì)算服務(wù)提供者可以位于不同的地方，將計(jì)算服務(wù)靈活地?cái)U(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，但是這種靈活性使邊緣計(jì)算的可信任情況復(fù)雜化，使其不同于其他網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖3所示，邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)體系中涉及終端智能設(shè)備、邊緣計(jì)算設(shè)備、云中心等不同的功能實(shí)體，邊緣計(jì)算設(shè)備是介于網(wǎng)絡(luò)邊緣的終端用戶和云服務(wù)器之間的中間層。在這種開放式互聯(lián)背景下，身份認(rèn)證和管理功能遍布邊緣計(jì)算參考架構(gòu)的所有功能層級，用戶的身份認(rèn)證是邊緣計(jì)算的第一道防線，身份識別對確保應(yīng)用和數(shù)據(jù)的安全保密至關(guān)重要。

圖3 邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)體系

當(dāng)邊緣設(shè)備需要使用邊緣計(jì)算提供的服務(wù)時，如果缺乏身份驗(yàn)證服務(wù)，一個流動的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)/服務(wù)器可以假裝成一個合法的邊緣計(jì)算設(shè)備或邊緣計(jì)算實(shí)例，并誘使邊緣側(cè)終端設(shè)備連接到它。一旦終端設(shè)備與虛假的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)建立連接，敵手就可以操縱來自終端用戶或云的傳入和傳出請求，秘密地收集或篡改終端設(shè)備數(shù)據(jù)，并很容易發(fā)起進(jìn)一步的攻擊，虛假邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)或服務(wù)器的存在是對用戶數(shù)據(jù)安全和隱私的嚴(yán)重威脅。除此之外，當(dāng)海量設(shè)備同時接入時，傳統(tǒng)的集中式安全認(rèn)證面臨巨大的性能壓力，特別是在設(shè)備集中接入時認(rèn)證系統(tǒng)往往不堪重負(fù)。最后，在這種通過不同網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)的分層體系架構(gòu)中，功能實(shí)體并非完全可信，而與用戶身份相關(guān)聯(lián)的信息都存儲在這些半可信的功能實(shí)體中，這極易引發(fā)用戶身份信息泄漏問題。因此在必要的時候，亟待開展適用于邊緣計(jì)算場景的去中心化、分布式的認(rèn)證方式，在實(shí)現(xiàn)輕量級認(rèn)證的同時，兼顧匿名性、群組認(rèn)證等功能。

3　邊緣計(jì)算身份認(rèn)證和隱私保護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1　邊緣計(jì)算身份認(rèn)證技術(shù)研究現(xiàn)狀

身份認(rèn)證是邊緣計(jì)算安全的一個重要問題，因?yàn)檫吘売?jì)算節(jié)點(diǎn)/服務(wù)器向大規(guī)模終端用戶提供服務(wù)。本文將邊緣計(jì)算的主要安全問題視為不同級別的邊緣節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證問題。傳統(tǒng)的基于PKI的身份驗(yàn)證效率不高，并且在網(wǎng)絡(luò)邊緣使用霧計(jì)算的用戶可擴(kuò)展性較差。

代表性的研究文獻(xiàn)主要有：Maged在文獻(xiàn)^[8]中提出了在“云-邊-端”三層體系架構(gòu)下的邊緣網(wǎng)絡(luò)終端和邊緣服務(wù)器之間的安全相互認(rèn)證方案Octopus，該方案中不需要納入傳統(tǒng)的PKI體系，只是在注冊階段，每個終端設(shè)備需保存一個云中心頒發(fā)的長期主密鑰。Octopus允許任何終端設(shè)備在已獲得云中心授權(quán)的情況下，與邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)體系中的任一邊緣服務(wù)器進(jìn)行相互認(rèn)證，能夠有效地抵抗重放攻擊、中間人攻擊等多種類型攻擊。該方案能夠有效實(shí)現(xiàn)在邊緣計(jì)算架構(gòu)下終端設(shè)備的安全接入認(rèn)證，并且在認(rèn)證過程中采用對稱加密算法，適用于邊緣側(cè)計(jì)算資源和存儲資源受限的設(shè)備，但是該方案不支持匿名認(rèn)證。Amor ^[9]在該方案的基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)，利用雙線性配對算法實(shí)現(xiàn)了支持匿名認(rèn)證的接入認(rèn)證方案，在該方案中，認(rèn)證可以在不暴露真實(shí)身份的同時，驗(yàn)證對方的合法性，保證了惡意設(shè)備無法搜集終端設(shè)備的身份信息。

綜上所述，當(dāng)前關(guān)于邊緣計(jì)算身份認(rèn)證機(jī)制的研究尚未形成較為完善的研究體系和方法，已有的研究方案大多用于解決邊緣側(cè)設(shè)備的身份授權(quán)及單一作用域內(nèi)的身份認(rèn)證問題，而在跨不同作用域認(rèn)證場景下存在局限。邊緣計(jì)算身份認(rèn)證技術(shù)的研究需結(jié)合其分布式、移動性等特點(diǎn)，在已有研究方案的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)具有隱私保護(hù)性質(zhì)的認(rèn)證機(jī)制、跨作用域認(rèn)證等技術(shù)的研究，保障邊緣側(cè)業(yè)務(wù)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用安全。

3.2　邊緣計(jì)算身份隱私保護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

針對邊緣計(jì)算中身份信息隱私保護(hù)技術(shù)的研究，代表性的研究文獻(xiàn)主要有：Khalil 等 ^[10]通過引入身份管理系統(tǒng)（IDM）服務(wù)器來代替服務(wù)提供商管理終端用戶的身份信息，通過將授權(quán)、IDM 服務(wù)器和邊緣計(jì)算服務(wù)提供商分離，并添加額外的認(rèn)證層，來抵御IDM非法訪問、流量攔截攻擊和設(shè)備妥協(xié)等攻擊。Khan等^[11]針對身份認(rèn)證過程中存在的憑證泄漏問題，提出了一種基于動態(tài)憑證的身份隱私保護(hù)方案，即通過云分組交換機(jī)制對終端設(shè)備的身份憑證進(jìn)行動態(tài)更新，以此防止憑證泄漏導(dǎo)致的攻擊問題，不僅如此，該方案還引入了第三方可信實(shí)體，通過將認(rèn)證憑證操作外包給可信實(shí)體，降低了終端設(shè)備的計(jì)算開銷。

當(dāng)前，針對邊緣計(jì)算^[12]身份隱私保護(hù)技術(shù)的研究僅有一些探索性成果，邊緣計(jì)算設(shè)備更貼近數(shù)據(jù)源頭，與核心網(wǎng)中的云中心相比，邊緣計(jì)算設(shè)備可以收集更多的與用戶身份相關(guān)的敏感信息，而由于終端設(shè)備的計(jì)算資源受限，難以執(zhí)行代價昂貴的隱私保護(hù)算法，在邊緣計(jì)算服務(wù)中，如何保障終端用戶的身份隱私是亟待解決的問題之一。

4　未來技術(shù)發(fā)展方向

由于將現(xiàn)有身份認(rèn)證協(xié)議直接應(yīng)用于邊緣計(jì)算環(huán)境下存在一些問題，研究人員正在尋求解決的辦法。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對邊緣計(jì)算中信息安全技術(shù)的研究也處于探索階段，針對身份認(rèn)證協(xié)議的研究成果大多是生、參考架構(gòu)和信息安全需求，圍繞邊緣計(jì)算身份認(rèn)以現(xiàn)有的安全協(xié)議為基礎(chǔ)，從靈活性、高效性、隱私證和隱私保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，對適用于邊緣計(jì)算架構(gòu)的保護(hù)等方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。但是由于邊緣計(jì)算中終身份認(rèn)證和隱私保護(hù)的最新研究成果進(jìn)行了闡述和分端設(shè)備的地理位置分布、高移動性和高實(shí)時性等特析。隨著國內(nèi)外研究的開展，將會出現(xiàn)更適合邊緣計(jì)點(diǎn)，傳統(tǒng)的集中式安全認(rèn)證機(jī)制不再適用于該場景。算體系的信息安全技術(shù)，需進(jìn)一步深入探討和研究。

邊緣計(jì)算身份認(rèn)證和隱私保護(hù)技術(shù)發(fā)展方向應(yīng)該包括以下幾點(diǎn)：

（（1）研究適用于邊緣計(jì)算架構(gòu)體系的關(guān)鍵技術(shù)，支持用戶和邊緣計(jì)算設(shè)備建立連接時的端到端雙向認(rèn)證機(jī)制，以及邊緣計(jì)算設(shè)備對接入用戶的群組認(rèn)證、跨域認(rèn)證等；

（2）在邊緣計(jì)算中存在大量的分布式邊緣網(wǎng)關(guān)，不同層次的邊緣網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的認(rèn)證，以及與云中心之間的統(tǒng)一身份管理等是一個需要考慮的安全問題；

（3）在安全功能適配特定的邊緣計(jì)算架構(gòu)的同時，還需實(shí)現(xiàn)安全功能的輕量化，使其能夠部署在各類硬件資源受限的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)終端設(shè)備中，最大限度地保障整個架構(gòu)的安全與可靠，提高海量終端設(shè)備的接入認(rèn)證效率。

5　結(jié)論

未來超過50%的數(shù)據(jù)需要在邊緣側(cè)分析、處理和儲存，邊緣計(jì)算應(yīng)用廣闊。本文介紹了邊緣計(jì)算的產(chǎn)生、參考架構(gòu)和信息安全需求，圍繞邊緣計(jì)算身份認(rèn)證和隱私保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，對適用于邊緣計(jì)算架構(gòu)的身份認(rèn)證和隱私保護(hù)的最新研究成果進(jìn)行了闡述和分析。隨著國內(nèi)外研究的開展，將會出現(xiàn)更適合邊緣計(jì)算體系的信息安全技術(shù)，需進(jìn)一步深入探討和研究。

★ 基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“ 面向工業(yè)通信行為的異常檢測及安全感知方法研究” （ 6 1 7 7 3 3 6 8 ） 、預(yù)研基金項(xiàng)目（6140242010116Zk63001）和國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“邊緣計(jì)算在智能電網(wǎng)的應(yīng)用和安全防護(hù)技術(shù)研究”（52110118001H）。

作者簡介

陳春雨（1992-），男，碩士，黑龍江哈爾濱人，現(xiàn)就職于中國科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要研究方向?yàn)樾畔踩?/p>

尚文利（1974-），男，博士、研究員，黑龍江北安人，現(xiàn)就職于中國科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)任全國工業(yè)過程測量控制和自動化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會可編程序控制器及系統(tǒng)分技術(shù)委員會（SAC/TC124/SC5）委員、工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事、邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟安全組副組長。主要從事工業(yè)信息安全、計(jì)算智能與機(jī)器學(xué)習(xí)方向研究。

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摘自《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全專刊（第五輯）》