Review of security threats and protection technologies in the metaverse
Xie N., Di X., Jiang H., Yang H.
a School of Computer Science and Technology, Changchun University of Science and Technology, Changchun, China;
b Jilin Province Key Laboratory of Network and Information Security, Changchun, China;
c Information Center, Changchun University of Science and Technology, Changchun, China
随着人工智能、数字孪生、区块链、虚拟现实和6G通信技术的发展，元宇宙正逐步从概念走向规模化应用。然而，元宇宙深度融合现实世界与虚拟世界的特征，使其面临身份伪造、数据泄露、数字孪生篡改、网络攻击、算法安全以及法律伦理等全新的安全挑战。本文提出一种面向安全的四层元宇宙架构，将元宇宙划分为感知层、连接层、支撑技术层和虚拟层，并系统分析各层典型威胁及对应防护技术。研究认为，身份认证、隐私保护、可信执行环境、安全通信协议、人工智能安全、密码学以及法律监管等技术和制度手段需要协同发展，才能支撑未来元宇宙的安全运行。文章还展望了隐私计算、数字身份、认知安全以及元宇宙威胁建模等未来研究方向。
元宇宙作为融合人工智能、数字孪生、区块链、云计算和虚拟现实等技术的新型数字空间，正在成为全球科技产业的重要发展方向。从教育、医疗到数字贸易和虚拟经济，元宇宙正在不断拓展应用边界。然而，随着虚实融合程度不断提高，深度伪造、身份盗用、数据泄露、虚拟资产攻击等问题也日益突出。现有网络安全体系难以完全适应元宇宙的沉浸性、跨时空性和异构性特征，因此有必要从系统层面对元宇宙安全威胁与防护技术进行梳理，并构建适用于元宇宙场景的安全框架。
文章在梳理现有元宇宙概念和架构研究的基础上，提出了一种面向安全分析的四层架构，包括感知层、连接层、支撑技术层和虚拟层。
感知层负责连接现实世界与虚拟世界，连接层承担数据传输与通信任务，支撑技术层提供人工智能、区块链和密码学等基础能力，而虚拟层则承载数字孪生和各类虚拟应用。与传统功能导向架构不同，该框架以安全风险传播路径为核心，能够描述从现实设备到虚拟资产的跨层攻击过程，为系统化分析元宇宙安全问题提供统一视角。
3.1 安全威胁
感知层通过传感器、脑机接口、扩展现实设备以及数字孪生技术实现现实世界与虚拟世界之间的信息映射，因此也是元宇宙最重要的安全入口。研究指出，感知层主要面临身份安全威胁、数字孪生安全威胁以及隐私安全威胁三类风险。攻击者可能利用深度伪造、设备劫持和身份冒充等方式窃取用户身份，数字孪生则面临数据篡改、同步漂移以及虚实联动攻击等问题。同时，元宇宙持续收集用户行为、生理特征和位置数据，也使得隐私泄露风险进一步扩大。
3.2 防护技术
针对感知层安全问题，文章重点介绍了身份认证技术、可信执行环境以及隐私保护技术。多因素认证、生物特征认证和基于区块链的身份管理能够提高数字身份可信度；可信执行环境能够将敏感数据与关键运算隔离到安全区域中执行；差分隐私、联邦学习、同态加密等隐私计算技术则有助于实现数据利用与隐私保护之间的平衡。研究认为，未来需要结合轻量化安全机制和跨域身份管理体系，提升感知层整体安全水平。
4.1 安全威胁
连接层依赖5G、6G、卫星通信以及互联网基础设施实现海量数字实体之间的实时交互，因此通信协议漏洞、Web3.0安全风险以及网络攻击成为主要威胁来源。随着6G、语义通信等新技术的发展，传统网络安全问题不断演化，同时智能合约漏洞、钓鱼攻击、勒索软件以及分布式拒绝服务攻击等风险也在持续增加。数字身份与现实身份的深度绑定进一步放大了攻击造成的影响。
4.2 防护技术
为保障连接层安全，研究总结了安全通信协议、Web3.0安全技术以及网络入侵检测与防御技术的发展现状。SSL/TLS、IPsec等传统协议仍是基础支撑，同时需要适应边缘计算和6G场景的新型安全机制。区块链、零信任架构以及智能入侵检测系统能够增强网络可信性和攻击检测能力，为元宇宙大规模互联提供安全保障。
5.1 安全威胁
支撑技术层是元宇宙运行的核心基础，包括人工智能、边缘计算、云计算和区块链等关键技术。文章指出，该层主要面临算法模型攻击、边缘计算安全以及人工智能安全问题。数据投毒、模型窃取、对抗样本攻击会影响智能决策系统可靠性；边缘设备资源受限使其容易成为攻击目标；而人工智能算法偏见、模型幻觉以及恶意利用问题也会对元宇宙运行产生潜在影响。
5.2 防护技术
针对支撑技术层风险，研究总结了模型安全技术、边缘计算安全防护、人工智能偏差治理以及密码学技术的发展进展。通过安全训练、对抗防御、可信边缘架构以及数据加密等方法，可以提升基础设施的安全性。同时，多方安全计算、零知识证明、同态加密和量子密钥分发等新型密码技术被认为是未来元宇宙数据安全的重要支撑。
6.1 安全威胁
虚拟层是数字孪生、虚拟经济和各类元宇宙应用的直接承载空间，也是安全风险最复杂的层级。研究指出，虚拟应用安全威胁、数字孪生安全威胁以及法律伦理风险构成主要挑战。沉浸式攻击、虚拟资产盗窃、智能合约漏洞和数字身份冒充等问题可能直接影响用户体验和财产安全，而网络欺凌、虚拟骚扰以及数字成瘾等问题则进一步扩展到社会治理层面。此外，虚拟资产产权认定、责任归属和跨境监管等法律问题仍缺乏成熟解决方案。
6.2 防护技术
针对虚拟层安全问题，文章提出应从虚拟应用安全策略、数字孪生安全策略以及法律监管三个方面协同推进。应用开发需要遵循安全框架和行业标准，加强身份认证、访问控制和内容审核；数字孪生应建立完善的身份授权和持续监测机制；同时，各国还需完善元宇宙相关法律法规，建立统一监管体系和安全标准，以应对未来虚拟社会治理挑战。
本文从感知层、连接层、支撑技术层和虚拟层四个维度系统分析了元宇宙面临的安全威胁及其防护技术，构建了面向元宇宙的四层安全架构。研究认为，未来元宇宙安全不仅涉及身份认证、隐私保护、通信安全和密码学等传统网络安全问题，还需要面对数字身份治理、法律伦理规范以及认知安全等跨学科挑战。随着人工智能、数字孪生、区块链和量子通信等技术持续发展，建立统一的元宇宙威胁模型和安全治理体系将成为未来的重要研究方向。
