龐國(guó)棟　武飛

【摘要】? ? 第五代移動(dòng)通信技術(shù)（The 5th Generation Moblie Communication，5G）的大規(guī)模商業(yè)化部署正在進(jìn)行中，5G三大應(yīng)用場(chǎng)景之一的大規(guī)模機(jī)器通信（massive Machine Type Of Communication，mMTC）為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了諸如智能家庭、智慧城市等新的應(yīng)用場(chǎng)景。其設(shè)備種類多、數(shù)量多和規(guī)模大等特性對(duì)于應(yīng)用在該場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備的認(rèn)證安全提出了更多的要求。本文簡(jiǎn)要分析了mMTC場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信特性對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備認(rèn)證的安全需求，并從當(dāng)前信息安全研究的熱點(diǎn)中選取了有希望解決或改進(jìn)這些安全需求的方法進(jìn)行簡(jiǎn)要地分析。

【關(guān)鍵字】? ? 5G技術(shù)? ? 大規(guī)模機(jī)器通信? ? 物聯(lián)網(wǎng)感知層? ? 認(rèn)證安全

Abstract：The large-scale commercial deployment of the fifth-generation mobile communication technology （5G） is underway. The massive machine type of communication （mMTC） ， one of the three major application scenarios of 5G， provides Internet of Things （IoT） technology with new application scenarios such as smart homes and smart cities. The IoT equipments of mMTC has the characteristics of large verities ， quantity and scale. These characteristics bring up more security requirements to the authentication security of IoT perception layer equipments used in mMTC scenario. This paper briefly analyzes the security requirements of authentication security of IoT devices in the mMTC scenario ， and selects methods that may solve or improve these requirements from current research hotspots of information security and briefly analyzes them.

Keywords：5G techonlogy;massive Machine Type Of Communication;Perception layer of IoT;authentication of safety

引言：

國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）在其對(duì)國(guó)際移動(dòng)通信（International Mobile Telecommunications，IMT）在2020年之后的發(fā)展框架和的建議中為5G定義了三大未來應(yīng)用場(chǎng)景，分別是增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMMB）、超可靠低延時(shí)通信（Ultra-Reliable Low Latency communication，URLLC）和大規(guī)模機(jī)器通信[1]。

在大規(guī)模機(jī)器通信場(chǎng)景下，接入點(diǎn)（AP）或基站（BS）將對(duì)規(guī)模龐大、分布密集的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供通信服務(wù)，這些機(jī)器設(shè)備可能是用于檢測(cè)水質(zhì)、土壤、空氣或農(nóng)作物狀態(tài)的傳感器、功能較為復(fù)雜的可穿戴智能終端等。這些設(shè)備通常會(huì)零星地上傳一些采集到的重要數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)端的設(shè)備交給應(yīng)用層進(jìn)行處理，這使得傳統(tǒng)的移動(dòng)通信可以支持物聯(lián)網(wǎng)的接入，這些海量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將成為智慧城市和智慧家庭的重要組成部分。隨著智慧城市在國(guó)內(nèi)外的試點(diǎn)建設(shè)[2][3]，預(yù)計(jì)未來mMTC通信場(chǎng)景將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

接入5G網(wǎng)絡(luò)的mMTC場(chǎng)景的海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)中處于感知層，負(fù)責(zé)采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)上傳，數(shù)據(jù)的真實(shí)性對(duì)于應(yīng)用層來說至關(guān)重要，虛假的數(shù)據(jù)過多可能會(huì)影響應(yīng)用層的決策，一些涉及隱私的數(shù)據(jù)還需要加密處理，防止被非法截取，因?yàn)檫@將會(huì)暴露用戶的個(gè)人隱私。因此，網(wǎng)絡(luò)端對(duì)設(shè)備的合法性認(rèn)證至關(guān)重要。本文接下來將針對(duì)mMTC場(chǎng)景下的設(shè)備特性和通信特征分析其對(duì)設(shè)備認(rèn)證的新要求，然后針對(duì)這協(xié)問題結(jié)合當(dāng)前信息安全研究的熱點(diǎn)，分析有希望的應(yīng)對(duì)和改進(jìn)措施。

一、5G的mMTC場(chǎng)景的特點(diǎn)及其對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知層認(rèn)證的要求

1.1 5G的mMTC場(chǎng)景的通信特點(diǎn)

根據(jù)ITU的發(fā)展建議以及相關(guān)文獻(xiàn)[4]的分析，5G的mMTC場(chǎng)景的設(shè)備有如下特點(diǎn)：

第一個(gè)特點(diǎn)是連接的設(shè)備數(shù)量龐大。mMTC場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)端設(shè)備將會(huì)服務(wù)大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，要求的連接密度高達(dá)約每平方公里10-100萬(wàn)個(gè)連接，如此大量數(shù)目的設(shè)備將會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸大量的認(rèn)證信息。

第二個(gè)特點(diǎn)是連接的設(shè)備功耗低。mMTC場(chǎng)景下連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常都是組成簡(jiǎn)單、體積小功耗低的設(shè)備，這些設(shè)備可能處于不方便供電的環(huán)境下，需要依靠電池供電。而ITU規(guī)定終端設(shè)備壽命應(yīng)達(dá)15年，因此這些小型設(shè)備需要低功耗的認(rèn)證過程。

第三個(gè)特點(diǎn)是終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，并表現(xiàn)出零星性。例如智能電表上傳用戶用電數(shù)據(jù)、空氣檢測(cè)裝置傳輸空氣質(zhì)量、智能血壓計(jì)上傳患者的血壓等，這些數(shù)據(jù)僅使用較小的分組就可以做到。零星性指的是分組數(shù)據(jù)并不會(huì)如視頻、文件一樣持續(xù)傳輸，而是有僅僅在檢測(cè)到變化時(shí)或者應(yīng)用需要時(shí)才會(huì)上傳一部分?jǐn)?shù)據(jù)。并且活躍的傳輸設(shè)備少于在線的傳輸設(shè)備。

1.2 5G的mMTC場(chǎng)景的特點(diǎn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知層認(rèn)證安全的要求

由于mMTC設(shè)備通信時(shí)具有設(shè)備數(shù)量多、分布密集，功耗低的特點(diǎn)，因此對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的認(rèn)證有了如下的要求：

第一，由于mMTC場(chǎng)景下的接入設(shè)備眾多，大量的設(shè)備發(fā)起認(rèn)證將在網(wǎng)絡(luò)（包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和無線接入點(diǎn)之間以及接入點(diǎn)到核心網(wǎng)絡(luò)中）中產(chǎn)生大量的認(rèn)證協(xié)議消息。大量的認(rèn)證協(xié)議消息將會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)端同時(shí)維護(hù)大量的認(rèn)證狀態(tài)會(huì)話或者有大量的設(shè)備在排隊(duì)認(rèn)證。這將消耗網(wǎng)絡(luò)端設(shè)備大量的資源，對(duì)網(wǎng)絡(luò)端設(shè)備的緩存和運(yùn)算能力提出了較高的要求，并且還會(huì)造成核心網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)存在很多的認(rèn)證消息，可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞。逐條處理數(shù)量眾多認(rèn)證消息處理使得這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的認(rèn)證總時(shí)長(zhǎng)增加，而接入點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)端還要不時(shí)處理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的上報(bào)數(shù)據(jù)，如果認(rèn)證耗時(shí)過多，將不利于mMTC場(chǎng)景下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

第二，由于mMTC場(chǎng)景下面向的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中存在一些簡(jiǎn)單的低功耗設(shè)備，比如各種水中的小型傳感器。這些設(shè)備的電量和運(yùn)算能力都比較有限，如果讓它們使用傳統(tǒng)的基于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（Public Key Infrastructure，PKI）和數(shù)字證書的認(rèn)證方式是不現(xiàn)實(shí)的。首先是設(shè)備的運(yùn)算和存儲(chǔ)能力可能不支持復(fù)雜的公鑰運(yùn)算，并且如果認(rèn)證運(yùn)算較為復(fù)雜將會(huì)消耗掉物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大量的電量，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的壽命是極為不利的。其次是這些設(shè)備的存在被人為或自然破壞的風(fēng)險(xiǎn)，這將造成數(shù)字證書的吊銷，而數(shù)字證書的吊銷、大量數(shù)字證書的簽發(fā)和管理在PKI體系下中比較復(fù)雜，也是PKI體系的一個(gè)缺陷。因此在這種情況下物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要運(yùn)行低功耗，運(yùn)算量小的認(rèn)證協(xié)議來減少功耗開銷。

第三，還有一些設(shè)備價(jià)格低廉，其硬件可能不能支持長(zhǎng)期的密鑰存儲(chǔ)安全，這些設(shè)備一旦被攻擊者捕獲，會(huì)存在密鑰被破解的可能。而密鑰的保密性在密碼學(xué)安全協(xié)議中，無論是公鑰協(xié)議還是對(duì)稱密鑰協(xié)議都是最重要的。對(duì)于這些設(shè)備可能需要其他的認(rèn)證方式。

綜上所述，由于mMTC場(chǎng)景下存在設(shè)備數(shù)量多、設(shè)備類型和能力復(fù)雜、存在低功耗的簡(jiǎn)單設(shè)備的特性，對(duì)該場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備認(rèn)證提出了減少接入點(diǎn)與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的認(rèn)證次數(shù)、需要在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上運(yùn)行運(yùn)算和存儲(chǔ)消耗較低的認(rèn)證方案、不能完全依靠傳統(tǒng)的密碼學(xué)安全協(xié)議等要求。

二、mMTC對(duì)物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證安全要求的可能解決方案

上文分析了5G的mMTC場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)通信的特點(diǎn)及其對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備認(rèn)證安全的新要求，本節(jié)將依據(jù)上文分析的mMTC場(chǎng)景對(duì)物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證安全的要求從現(xiàn)有的信息安全研究的熱點(diǎn)中選取有希望解決或改進(jìn)這些問題的技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1使用群組認(rèn)證協(xié)議或者分層次的認(rèn)證協(xié)議

設(shè)備數(shù)量過多是造成接入點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備認(rèn)證次數(shù)過多以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳遞大量認(rèn)證信息的主要原因，從這一角度出發(fā)，可以考慮使用群組認(rèn)證協(xié)議。

群組認(rèn)證協(xié)議是物聯(lián)網(wǎng)感知層認(rèn)證的研究熱點(diǎn)之一，群組認(rèn)證協(xié)議允許接入點(diǎn)一次和一組鄰近的設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證或密鑰協(xié)商，協(xié)商后的密鑰可用于數(shù)據(jù)的機(jī)密性或者完整性保護(hù)，從而減少總的認(rèn)證次數(shù)，進(jìn)而減少大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在認(rèn)證過程中產(chǎn)生的認(rèn)證信息數(shù)目，提高認(rèn)證效率。由于大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中存在不同的設(shè)備類型，在使用群組認(rèn)證方案時(shí)可以在一組設(shè)備中選出相對(duì)于其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說電能相對(duì)充足，安全性相對(duì)較高的設(shè)備作為一個(gè)群組的組長(zhǎng)。群組的組長(zhǎng)負(fù)責(zé)和群組內(nèi)的設(shè)備使用較為簡(jiǎn)單的方式進(jìn)行認(rèn)證并收集設(shè)備信息，然后由群組的組長(zhǎng)代表群組中的其他設(shè)備再和接入點(diǎn)進(jìn)行一次認(rèn)證，例如可以將一系列的空氣傳感器部署在智能路燈上，使用智能路燈作為這些空氣傳感器的組長(zhǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行認(rèn)證?，F(xiàn)有的群組認(rèn)證方案如文獻(xiàn)[5]針對(duì)現(xiàn)在的5G-AKA方案的不足提出了一種群組認(rèn)證與密鑰協(xié)商方案，該方案采用橢圓曲線DH算法生成每個(gè)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)端的密鑰來保護(hù)設(shè)備的身份標(biāo)識(shí)向組長(zhǎng)進(jìn)行傳輸，同時(shí)使用了一種無證書聚合簽名方案。由組長(zhǎng)對(duì)群組內(nèi)的每一設(shè)備的簽名進(jìn)行聚合后提交給網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行驗(yàn)證，網(wǎng)絡(luò)端完成對(duì)一個(gè)群組的身份認(rèn)證并向群組組長(zhǎng)設(shè)備返回認(rèn)證結(jié)果。最后借助于群組組長(zhǎng)設(shè)備向群組內(nèi)的設(shè)備分發(fā)群組會(huì)話密鑰進(jìn)而完成密鑰協(xié)商。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于BDHP和BIP困難問題的物聯(lián)網(wǎng)群組認(rèn)證協(xié)議，以一個(gè)無線接入點(diǎn)作為其附近的一組物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的代理和網(wǎng)絡(luò)端內(nèi)部的設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證。該方案將無線接入點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的認(rèn)證代理，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備一次將由組編號(hào)標(biāo)識(shí)的一組物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的認(rèn)證權(quán)限通過一個(gè)認(rèn)證向量遞交給接入點(diǎn)，接入點(diǎn)使用這一個(gè)認(rèn)證向量可以和組內(nèi)的任意物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在限定的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行認(rèn)證和密鑰協(xié)商，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不需要和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備交互，減少了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳遞的信息數(shù)量，降低了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的擁塞。

2.2使用超輕量級(jí)認(rèn)證

大規(guī)模機(jī)器通信場(chǎng)景的另一個(gè)特點(diǎn)是與網(wǎng)絡(luò)端認(rèn)證的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中存在著大量的低功耗的設(shè)備，比如智能物流系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽等。這些設(shè)備的存儲(chǔ)和計(jì)算能力非常弱，通信速率也比較低，現(xiàn)代密碼學(xué)中常用的公鑰密碼算法和對(duì)稱密碼算法對(duì)于這些設(shè)備來說都會(huì)帶來很大的計(jì)算和通信負(fù)擔(dān)（典型的速率低于200kb/秒）。針對(duì)這個(gè)問題可以使用超輕量級(jí)的雙向認(rèn)證方案（Ultralightweight Mutual Authentication Protocol，UMAP），超輕量級(jí)認(rèn)證方案甚至可以不依賴于偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和雜湊函數(shù)，只使用基本的算術(shù)和邏輯操作（模加運(yùn)算，與運(yùn)算，或運(yùn)算，異或運(yùn)算，移位運(yùn)算等）完成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)端的認(rèn)證，近年來出現(xiàn)的超輕量級(jí)認(rèn)證協(xié)議有R2AP（2014）[7]、RCIA（2015）[8]、KMAP（2017）[9]等。

雖然超輕量級(jí)的認(rèn)證方案因?yàn)闆]有使用復(fù)雜的密碼算法導(dǎo)致其安全強(qiáng)度相對(duì)較低，并且現(xiàn)有的研究成果并不完美，但由于這種方案只需要在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存儲(chǔ)對(duì)稱密鑰和實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單的認(rèn)證協(xié)議就可以進(jìn)行部署和使用，因此非常適合5G的大規(guī)模機(jī)器通信場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)端認(rèn)證使用。

2.3使用物理層密鑰生成技術(shù)

在現(xiàn)代密碼學(xué)技術(shù)中，無論是依靠數(shù)學(xué)困難問題的公鑰密碼算法還是依靠雙方共享對(duì)稱密鑰的對(duì)稱密碼算法，它們的核心都是依靠密鑰的保密來達(dá)到計(jì)算安全，也就是攻擊者在有限的時(shí)間和算力的情況下無法破解加密和完整性保護(hù)方案。因此，如果物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能力有限，無法為私鑰或?qū)ΨQ密鑰提供長(zhǎng)期安全的存儲(chǔ)環(huán)境，這些密碼學(xué)技術(shù)都是無法使用的，針對(duì)這個(gè)問題可以使用物理層密鑰生成技術(shù)。

物理層密鑰生成技術(shù)的實(shí)質(zhì)是利用通信雙方私有的信道特征[10]，提取無線信道“指紋”特征，提供實(shí)時(shí)生成、無需分發(fā)的快速密鑰更新手段。其依據(jù)是無線信道自身具有的在時(shí)分雙工通信方式下的互易性，時(shí)變性以及位置的不相關(guān)性。互易性可以保證物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和無線接入點(diǎn)提取的信道信息相同，從而生成相同的密鑰，時(shí)變性利用了無線信道的時(shí)變特性增加提取密鑰的隨機(jī)性，使不同時(shí)刻生成的密鑰不相同，位置不相關(guān)性利用了信道的獨(dú)立性使竊聽者無法復(fù)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)端之間用于提取密鑰的信道參數(shù)，現(xiàn)在常用于提取物理層密鑰的信道參數(shù)有幅度、相位和信道的多徑時(shí)延等。

因?yàn)?G的mMTC場(chǎng)景下物聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量小和零星發(fā)送的特點(diǎn)，因此物理層生成的密鑰可直接對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)或者網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送的控制信息等低速率的信息通過模2加實(shí)現(xiàn)一次一密的輕量級(jí)安全。同時(shí)，如果物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)端之間是智能家居或者環(huán)境監(jiān)測(cè)這種信道環(huán)境不復(fù)雜的情況，可以在雙方間增加中繼節(jié)點(diǎn)，利用中繼帶來的信道信息的變化結(jié)合兩端原有的信道信息來提高密鑰生成速率和隨機(jī)性。因此物理層密鑰生成技術(shù)的輕量級(jí)、安全性和可擴(kuò)展性將使其成為解決mMTC中物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備安全能力弱、硬件安全水平低導(dǎo)致一些密碼學(xué)技術(shù)無法使用這一安全問題的很有希望的解決方案。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，大規(guī)模機(jī)器通信是5G的重要應(yīng)用場(chǎng)景，這種場(chǎng)景將依靠網(wǎng)絡(luò)端和分布在不同環(huán)境、擁有各種功能的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行交互，采集分析數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)諸如智慧城市，環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能家居等重要應(yīng)用。因?yàn)榇笠?guī)模機(jī)器通信場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信特點(diǎn)和設(shè)備能力使得物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)端認(rèn)證時(shí)存在認(rèn)證信息過多、傳統(tǒng)的認(rèn)證方式在某些情況下不適用等問題，因此可以結(jié)合當(dāng)前信息安全研究的熱點(diǎn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知層的認(rèn)證方式進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而更好地保護(hù)5G大規(guī)模機(jī)器通信下物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)端的認(rèn)證安全。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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龐國(guó)棟（1987.01）， 男，漢族，山東聊城，本科學(xué)士，中級(jí)互聯(lián)網(wǎng)通信工程師，主要從事無線通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用工作。

武飛（1981.04），男，漢族，山東聊城，本科，中級(jí)互聯(lián)網(wǎng)通信工程師，從事通信行業(yè)17年，先后在數(shù)據(jù)通信、無線通信專業(yè)從事多年規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)工作，在通信網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際應(yīng)用方面有著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。