山東省昌樂(lè)第一中學(xué) 陳 軍

1.物聯(lián)網(wǎng)概念及發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)，其概念最早于1999年由美國(guó)的麻省理工學(xué)院（MIT）的Auto-ID實(shí)驗(yàn)室提出，同年，麻省理工學(xué)院的Gershenfeld Neil教授撰寫(xiě)了“When Things Start to Think”一書(shū)，標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的開(kāi)始。物聯(lián)網(wǎng)的核心思想是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、圖像識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)將所有物品通過(guò)射頻識(shí)別等信息感知設(shè)備采集物品信息，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)任意物品的互聯(lián)。由于當(dāng)時(shí)傳感器技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)技術(shù)的水平有限，因此概念提出之處，沒(méi)有受到太多的關(guān)注，伴隨著傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)概念的深入了解和研究，以及物聯(lián)網(wǎng)逐漸在日常生活中的廣泛應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)后世界信息產(chǎn)業(yè)界的第三次革命浪潮。

在國(guó)際上，2009年6月18日，歐盟執(zhí)行委員會(huì)發(fā)布了《物聯(lián)網(wǎng)：歐盟執(zhí)行計(jì)劃》，在世界中首次系統(tǒng)地提出了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和管理設(shè)想，并提出了12項(xiàng)行動(dòng)，以保證物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，同時(shí)該份計(jì)劃標(biāo)志著歐盟已經(jīng)將物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提上日程。2009年，IBM首席執(zhí)行官Samuel J.Palmisano提出了“智慧地球”（Smart Plant）的概念，旨在把傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、大壩等各種應(yīng)用中，將地球中的任意物體通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)連接在一起，并通過(guò)智能地理，達(dá)到智慧狀態(tài)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和分層體系結(jié)構(gòu)

在國(guó)內(nèi)，2009年8月24日，中國(guó)移動(dòng)總裁王建宙赴臺(tái)發(fā)表公開(kāi)演講時(shí)提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念，王建宙指出，通過(guò)裝置在各類(lèi)物體上的電子標(biāo)簽、傳感器、二維碼等通過(guò)接口和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相連，從而給物體賦予智能，可以實(shí)現(xiàn)人和物體的溝通和對(duì)話，也可以實(shí)現(xiàn)物體和物體相互間的溝通和對(duì)話，這種將物體連接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)被稱為物聯(lián)網(wǎng)。

目前無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，物聯(lián)網(wǎng)的研究和開(kāi)發(fā)都還處于起步階段，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的模型、體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)還缺乏清晰的界定。因此，必須加快對(duì)物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的研究，特別是對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)和整體架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的探討和分析，從而形成最終的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)范，使其更好的服務(wù)于人民和社會(huì)。

2.物聯(lián)網(wǎng)中的安全問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的概念比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)概念更廣，因此其同樣存在安全問(wèn)題，而且物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)密集度較高，一旦出現(xiàn)安全問(wèn)題往往會(huì)造成重大損失。物聯(lián)網(wǎng)中潛在的隱患和風(fēng)險(xiǎn)包括：物聯(lián)網(wǎng)中標(biāo)簽被竊盜、篡改、偽造和復(fù)制；物聯(lián)網(wǎng)中標(biāo)簽被隨意掃描；物聯(lián)網(wǎng)通信遭受干擾、竊聽(tīng)和拒絕服務(wù)等攻擊；互聯(lián)網(wǎng)中的不安全因素?cái)U(kuò)散到物聯(lián)網(wǎng)中；利用物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽進(jìn)行跟蹤、定位；國(guó)外的物聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備滲透到我國(guó)重點(diǎn)行業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性導(dǎo)致管理上存在隱患；物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有的加密機(jī)制不健全，信息安全存在較大隱患。由此可以得出現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)存在嚴(yán)重的安全漏洞，目前對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的安全機(jī)制尚存在商榷，而且以往意義上的物聯(lián)網(wǎng)沒(méi)有很好的將安全問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的闡述和規(guī)范。因此，本文在原有物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)層次中增加保護(hù)層，以確保在一定程度上解決物聯(lián)網(wǎng)中存在的安全問(wèn)題。

如圖1所示，描述了物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)和其中的分層體系結(jié)構(gòu)，物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)包括：信息采集、信息處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、安全機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)。

信息采集技術(shù)即物聯(lián)網(wǎng)中的感知識(shí)別技術(shù)，將地球中的物理信息轉(zhuǎn)換為物聯(lián)網(wǎng)中可以識(shí)別的數(shù)字信息。例如使用煙霧傳感器可以將不同環(huán)境下的煙霧濃度進(jìn)行數(shù)字量化，不同的煙霧濃度對(duì)應(yīng)不同的數(shù)值，通過(guò)數(shù)字可以直觀的反應(yīng)出煙霧狀況；通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)可以將空氣中看不見(jiàn)摸不著的無(wú)線電訊號(hào)轉(zhuǎn)換成特定目標(biāo)的數(shù)字信息。信息采集技術(shù)主要包括傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、圖像采集技術(shù)和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)等。

信息處理技術(shù)則對(duì)采集的信息進(jìn)行特定處理，以獲得需要的信息。通常情況下采集的信息中摻雜一些不想要的“雜波”，需要通過(guò)信息處理技術(shù)對(duì)這些“雜波”進(jìn)行濾除，例如通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)下水道井蓋的位置進(jìn)行監(jiān)控，以有效的防止井蓋被偷盜或發(fā)生意外墜井事故，通過(guò)攝像頭的圖像采集技術(shù)采集出的圖像內(nèi)容往往比預(yù)想的豐富很多，而且通常情況下原始的圖像的數(shù)據(jù)會(huì)較大，傳輸比較費(fèi)時(shí)，通過(guò)信息處理技術(shù)便可以通過(guò)對(duì)攝像頭采集的井蓋圖像信息進(jìn)行提取、變換和處理等操作轉(zhuǎn)換成井蓋的位置信息，以此減少圖像的信息量，保證數(shù)據(jù)的高效傳輸。信息處理技術(shù)通常情況下包括信息提取、信息分析、信息變換和信息調(diào)理技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)即對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)按照特定的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的組包轉(zhuǎn)發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)地球中的每一個(gè)物體的互聯(lián)，地球中的物體種類(lèi)繁多，而且傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議已經(jīng)成熟，因此可以借助傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在一定程度上實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括有線網(wǎng)中使用較多的TCP/IP協(xié)議和無(wú)線網(wǎng)中使用較多的藍(lán)牙協(xié)議等，同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)包的傳輸，需要通過(guò)轉(zhuǎn)換協(xié)議進(jìn)行不同網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換，以達(dá)到不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兼容的目的，例如物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)包要傳送到支持藍(lán)牙協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)B，通過(guò)情況下需要協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)C，接收物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)換成藍(lán)牙協(xié)議識(shí)別的數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)主要由TCP/IP協(xié)議、Zigbee協(xié)議、藍(lán)牙協(xié)議和轉(zhuǎn)換協(xié)議技術(shù)組成。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)新架構(gòu)中的安全機(jī)制

圖3 身份認(rèn)證和密鑰協(xié)商過(guò)程

安全機(jī)制技術(shù)用于保障物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)本身的安全性和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信的信息是以明文的形式進(jìn)行，任何人通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行截獲和分析都能較容易的獲得通信雙方的通信內(nèi)容，而且惡意的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)還可以通過(guò)偽造其他物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和另一方進(jìn)行通信，以此來(lái)獲得另一方的機(jī)密數(shù)據(jù)，導(dǎo)致不可彌補(bǔ)的危害。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)中的惡意節(jié)點(diǎn)不斷的向物聯(lián)網(wǎng)中廣播數(shù)據(jù)包，將會(huì)導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)的癱瘓，影響物聯(lián)網(wǎng)的正常通信和工作。因此，很有必要將安全機(jī)制引入到物聯(lián)網(wǎng)中，通過(guò)安全機(jī)制來(lái)防止惡意節(jié)點(diǎn)的攻擊，以此保證物聯(lián)網(wǎng)的安全性。安全機(jī)制技術(shù)主要通過(guò)密碼學(xué)方面的技術(shù)手段對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，由數(shù)字簽名、數(shù)據(jù)加密、密鑰管理機(jī)制和身份認(rèn)證技術(shù)保障。

網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)即物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)的媒體介質(zhì)。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)所處的環(huán)境較為復(fù)雜，所以要根據(jù)具體的環(huán)境決定物聯(lián)網(wǎng)的具體接入媒介，例如在邊遠(yuǎn)的山區(qū)，沒(méi)有線網(wǎng)但有移動(dòng)基站覆蓋的地方，可以通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)或3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的接入到物聯(lián)網(wǎng)中，和遠(yuǎn)方的其他物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)主要包括GSM網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)和小無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)主要由四層構(gòu)成，即圖1所示的感知層、協(xié)議層、保護(hù)層和物理層。感知層主要負(fù)責(zé)采集物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的有效信息并對(duì)信息進(jìn)行特定的處理，包括信息采集和信息處理；協(xié)議層則將感知層采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)包的組裝和拆解，其主要由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)構(gòu)成，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中使用的具體協(xié)議又可以對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分層，例如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的TCP/IP協(xié)議包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層；保護(hù)層負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)層組裝好的數(shù)據(jù)包進(jìn)行保護(hù)，以保證數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，同時(shí)保護(hù)層中增加了身份認(rèn)證機(jī)制，以確保物聯(lián)網(wǎng)中通信節(jié)點(diǎn)的可靠性和安全性；物理層則根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)所處的具體環(huán)境選擇特定的物理介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸，例如在有線的環(huán)境中一般選擇通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

3.基于物聯(lián)網(wǎng)的安全架構(gòu)

如圖2所示，描述了將安全層引入到物聯(lián)網(wǎng)中后新架構(gòu)中的安全機(jī)制。假設(shè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為了保證通信節(jié)點(diǎn)的可信性和通信的安全性，引入了可信第三方C，可信第三方C是物聯(lián)網(wǎng)中公認(rèn)的可信機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的身份合法性進(jìn)行認(rèn)證，并對(duì)通信雙方頒發(fā)證書(shū)，以保證通信雙方密鑰協(xié)商的可靠性。認(rèn)證和協(xié)商的具體步驟為：第1步，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)B同時(shí)向可信第三方C發(fā)送通信請(qǐng)求，請(qǐng)求可信第三方C頒發(fā)通信“許可證”，此處的通信“許可證”為經(jīng)過(guò)可信第三方C簽名的證書(shū)。第2步，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)C接收到物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)B的通信請(qǐng)求后，首先驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的身份是否符合可信第三方C定義的可信要求，即驗(yàn)證物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是否是惡意節(jié)點(diǎn)，驗(yàn)證通過(guò)后，可信第三方C分別向物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)B頒發(fā)通信“許可證”。第3步，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)B互換通信“許可證”，接收到雙方的通信“許可證”后，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)B分別對(duì)其驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的正常通信，在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中還會(huì)涉及到數(shù)據(jù)的加密保護(hù)措施，以保證數(shù)據(jù)通信的安全性。通過(guò)上述三步機(jī)制完成了身份的認(rèn)證和密鑰的協(xié)商，經(jīng)過(guò)密鑰協(xié)商之后，通信的雙方便可以使用協(xié)商好的密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具體的認(rèn)證和密鑰協(xié)商過(guò)程如圖2所示。

圖3給出了身份認(rèn)證和密鑰協(xié)商的具體過(guò)程。第1步，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)B分別對(duì)各自的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息進(jìn)行簽名和保護(hù)，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)是物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的合法狀態(tài)的標(biāo)志，可信第三方通過(guò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)來(lái)判斷平臺(tái)是否為惡意節(jié)點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的啟動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)測(cè)，生成特定的字符串，該特定的字符串便為每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)B首先使用各自的私鑰PRKA和PRKB對(duì)各自的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行簽名，即PRKA{節(jié)點(diǎn)狀態(tài)A}和PRKB{節(jié)點(diǎn)狀態(tài)B}，經(jīng)過(guò)簽名的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)能夠證明發(fā)送者的身份，因?yàn)橹挥斜竟?jié)點(diǎn)擁有該節(jié)點(diǎn)的私鑰，所以只有本節(jié)點(diǎn)能夠使用私鑰進(jìn)行簽名。為了保證發(fā)送數(shù)據(jù)的安全性，通過(guò)使用可信第三方C的公鑰PUKC對(duì)簽名后的數(shù)據(jù)進(jìn)行公鑰加密，即PUKC{PRKA{節(jié)點(diǎn)狀態(tài)A}}和PUKC{PRKB{節(jié)點(diǎn)狀態(tài)B}}，以此能夠保證只有可信第三方C能夠看到加密后的數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了保證消息的完整性，通過(guò)哈希映射，生成該消息的消息驗(yàn)證碼，即PUKC{PRKA{節(jié)點(diǎn)狀態(tài)A}} || HMAC{ PUKC{PRKA{節(jié)點(diǎn)狀態(tài)A}}}和PUKC{PRKB{節(jié)點(diǎn)狀態(tài)B}} || HMAC{PUKC{PRKB{節(jié)點(diǎn)狀態(tài)B}}}。第2步，將第1步生成的消息發(fā)送到可信第三方C。第3步，可信第三方C對(duì)消息進(jìn)行解密后，通過(guò)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)狀態(tài)判斷物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的合法性。第4步合法性驗(yàn)證通過(guò)后，可信第三方分別向物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A和B頒發(fā)節(jié)點(diǎn)身份證書(shū)A和節(jié)點(diǎn)身份證書(shū)B(niǎo)，其中節(jié)點(diǎn)身份證書(shū)A和節(jié)點(diǎn)身份證書(shū)B(niǎo)經(jīng)過(guò)可信第三方的簽名和HMAC保證消息完整性，具體格式為：PRKC{節(jié)點(diǎn)身份證書(shū)A} ||HMAC{PRKC{節(jié)點(diǎn)身份證書(shū)A}}和PRKC{節(jié)點(diǎn)身份證書(shū)B(niǎo)} || HMAC{PRKC{節(jié)點(diǎn)身份證書(shū)B(niǎo)}}。第5步，通信的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A和B互換證書(shū)，以驗(yàn)證雙方身份的合法性，同時(shí)在證書(shū)中保存了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的公鑰信息，通過(guò)該步同時(shí)完成了公鑰的分發(fā)。第6步，由會(huì)話的發(fā)起者A生成AES會(huì)話密鑰。因?yàn)锳ES屬于對(duì)稱密碼算法，執(zhí)行效率較高，所以通過(guò)AES算法保證通信數(shù)據(jù)的安全性。第7步，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)A通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)B的公鑰對(duì)AES會(huì)話密鑰加密進(jìn)行密鑰的協(xié)商，同時(shí)使用消息驗(yàn)證碼保證信息的完整性，即PUKB{AES會(huì)話密鑰} || HMAC{ PUKB{AES會(huì)話密鑰}}。至此完成了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的身份認(rèn)證和密鑰的協(xié)商，通信雙方通過(guò)AES會(huì)話密鑰對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保證通信數(shù)據(jù)的安全性。

4.總結(jié)

通過(guò)引入可信第三方的方法來(lái)保證物聯(lián)網(wǎng)中通信雙方身份的合法性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃灾皇瞧渲械囊环N方案，還有很多其他的方案有待進(jìn)一步研究和探討。而且物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的種類(lèi)繁多，類(lèi)型復(fù)雜，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)通信的要求也不一樣，因此還需要根據(jù)具體的使用環(huán)境來(lái)定制特定的安全架構(gòu)。

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