物聯(lián)網(wǎng)面臨的安全威脅及其解決措施方案 - 全文

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、Internet之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。在高歌猛進(jìn)的同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)背后隱藏的安全危機(jī)正日漸顯現(xiàn)。同TCP/IP網(wǎng)絡(luò)一樣，物聯(lián)網(wǎng)同樣面臨網(wǎng)絡(luò)的可管、可控以及服務(wù)質(zhì)量等一系列問(wèn)題，并且有過(guò)之而無(wú)不及。如果這些問(wèn)題不能得到很好的解決，或者說(shuō)沒(méi)有很好的解決辦法，將會(huì)在很大程度上制約物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)是存在安全隱患的，更何況分布隨機(jī)的傳感網(wǎng)絡(luò)、無(wú)處不在的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，更是為各種網(wǎng)絡(luò)攻擊提供了廣闊的土壤，安全隱患更加嚴(yán)峻，如果處理不好，整個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)和安全都將面臨威脅。

物聯(lián)網(wǎng)的“網(wǎng)”

物聯(lián)網(wǎng)是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的延續(xù)和擴(kuò)展，將網(wǎng)絡(luò)的用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物與物之間，是一種新型的信息傳輸和交換形態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代又稱為后IP時(shí)代。目前，學(xué)術(shù)界公認(rèn)“物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層共同構(gòu)成的大規(guī)模信息系統(tǒng)”，其核心結(jié)構(gòu)主要包括：感知層，如智能卡、RFID電子標(biāo)簽、傳感器網(wǎng)絡(luò)等，其主要作用是采集各種信息；網(wǎng)絡(luò)層，如三網(wǎng)融合的計(jì)算機(jī)、Internet、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、固網(wǎng)等， 其主要作用是負(fù)責(zé)信息交換和通信；應(yīng)用層，主要負(fù)責(zé)信息的分析處理、控制決策，以便實(shí)現(xiàn)用戶定制的智能化應(yīng)用和服務(wù)，從而最終實(shí)現(xiàn)物與物、人與物的相聯(lián)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的“Internet of things”。

物聯(lián)網(wǎng)感知層的關(guān)鍵技術(shù)包括RFID技術(shù)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、傳感網(wǎng)技術(shù)等，這些技術(shù)是智能信息傳感設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)及管理層的關(guān)鍵技術(shù)包括云計(jì)算、4G技術(shù)、SOA等。安置在動(dòng)物、植物、機(jī)器和物品上的電子智能介質(zhì)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)可隨時(shí)隨地通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送信息，云計(jì)算技術(shù)的運(yùn)用，使數(shù)以億計(jì)的各類物品的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理成為可能。從物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)而言，物聯(lián)網(wǎng)體現(xiàn)的是融合，而不論它的基礎(chǔ)架構(gòu)是采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)還是什么別的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

物聯(lián)網(wǎng)的真正價(jià)值在于網(wǎng)，而不在于物。因?yàn)樵谟诰W(wǎng)，所以復(fù)雜。目前物聯(lián)網(wǎng)感知層的技術(shù)相對(duì)比較成熟，在各行各業(yè)已有比較成功的應(yīng)用，但是如果感知的信息沒(méi)有一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)體系對(duì)它們進(jìn)行管理和整合，就談不上深入的應(yīng)用，這樣的網(wǎng)絡(luò)就沒(méi)有意義。要構(gòu)建一個(gè)這樣的堪稱復(fù)雜巨系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的綜合管理、信息的融合析取及分門別類、數(shù)據(jù)的有指導(dǎo)性的傳輸和交互等等，它的復(fù)雜性、艱難性是可想而知的。

物聯(lián)網(wǎng)的安全威脅

物聯(lián)網(wǎng)面臨哪些重要的安全威脅？與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)面臨的安全威脅有哪些不同？對(duì)這個(gè)問(wèn)題的討論，我們以感知層是傳感網(wǎng)、RFID為例進(jìn)行展開(kāi)。

首先，傳感網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)存在嚴(yán)重不確定性因素的環(huán)境。廣泛存在的傳感智能節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上就是監(jiān)測(cè)和控制網(wǎng)絡(luò)上的各種設(shè)備，它們監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的不同內(nèi)容、提供各種不同格式的事件數(shù)據(jù)來(lái)表征網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。然而，這些傳感智能節(jié)點(diǎn)又是一個(gè)外來(lái)入侵的最佳場(chǎng)所。從這個(gè)角度而言，物聯(lián)網(wǎng)感知層的數(shù)據(jù)非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)間存在著頻繁的沖突與合作，具有很強(qiáng)的冗余性和互補(bǔ)性，且是海量數(shù)據(jù)。它具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性特征，同時(shí)又是多源異構(gòu)型數(shù)據(jù)。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而言，所有的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控措施、防御技術(shù)不僅面臨更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，同時(shí)又有更高的實(shí)時(shí)性要求，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全和其他相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域面前都將是一個(gè)新的課題、新的挑戰(zhàn)。

其次，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)感知層主要采用RFID技術(shù)時(shí)，嵌入了RFID芯片的物品不僅能方便地被物品主人所感知，同時(shí)其他人也能進(jìn)行感知。特別是當(dāng)這種被感知的信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行傳輸時(shí)，信息的安全性相當(dāng)脆弱。如何在感知、傳輸、應(yīng)用過(guò)程中提供一套強(qiáng)大的安全體系作保障，是一個(gè)難題。同樣，在物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層和應(yīng)用層也存在一系列的安全隱患，亟待出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的、高效的安全防范策略和技術(shù)。只是在這兩層可以借鑒TCP/IP網(wǎng)絡(luò)已有技術(shù)的地方比較多一些，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗相互交叉。總之，物聯(lián)網(wǎng)的安全必須引起各階層的高度重視。從物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)而言，物聯(lián)網(wǎng)除了面對(duì)傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題之外，還存在著大量自身的特殊安全問(wèn)題，并且這些特殊性大多來(lái)自感知層。我們認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)的感知層面臨的主要威脅有以下幾方面：

1．安全隱私

如射頻識(shí)別技術(shù)被用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，RFID標(biāo)簽被嵌入任何物品中，比如人們的日常生活用品中，而用品的擁有者不一定能覺(jué)察，從而導(dǎo)致用品的擁有者不受控制地被掃描、定位和追蹤，這不僅涉及到技術(shù)問(wèn)題，而且還將涉及到法律問(wèn)題。

2．智能感知節(jié)點(diǎn)的自身安全問(wèn)題

即物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器/感知節(jié)點(diǎn)的本地安全問(wèn)題。由于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可以取代人來(lái)完成一些復(fù)雜、危險(xiǎn)和機(jī)械的工作，所以物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器/感知節(jié)點(diǎn)多數(shù)部署在無(wú)人監(jiān)控的場(chǎng)景中。那么攻擊者就可以輕易地接觸到這些設(shè)備，從而對(duì)它們?cè)斐善茐?，甚至通過(guò)本地操作更換機(jī)器的軟硬件。

3．假冒攻擊

由于智能傳感終端、RFID電子標(biāo)簽相對(duì)于傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)而言是“裸露”在攻擊者的眼皮底下的，再加上傳輸平臺(tái)是在一定范圍內(nèi)“暴露”在空中的，“竄擾”在傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域顯得非常頻繁、并且容易。所以，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的假冒攻擊是一種主動(dòng)攻擊形式，它極大地威脅著傳感器節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同工作。

4．?dāng)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)攻擊

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)攻擊是通過(guò)向某個(gè)程序或應(yīng)用發(fā)送數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生非預(yù)期結(jié)果的攻擊，通常為攻擊者提供訪問(wèn)目標(biāo)系統(tǒng)的權(quán)限。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)攻擊分為緩沖區(qū)溢出攻擊、格式化字符串攻擊、輸入驗(yàn)證攻擊、同步漏洞攻擊、信任漏洞攻擊等。通常向傳感網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)施緩沖區(qū)溢出攻擊是非常容易的。

5．惡意代碼攻擊

惡意程序在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中有無(wú)窮多的入口。一旦入侵成功，之后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播就變得非常容易。它的傳播性、隱蔽性、破壞性等相比TCP/IP網(wǎng)絡(luò)而言更加難以防范，如類似于蠕蟲這樣的惡意代碼，本身又不需要寄生文件，在這樣的環(huán)境中檢測(cè)和清除這樣的惡意代碼將很困難。

6．拒絕服務(wù)

這種攻擊方式多數(shù)會(huì)發(fā)生在感知層安全與核心網(wǎng)絡(luò)的銜接之處。由于物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，且以集群方式存在，因此在數(shù)據(jù)傳播時(shí)，大量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸需求會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，產(chǎn)生拒絕服務(wù)攻擊。

7．物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的安全問(wèn)題

由于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)無(wú)人值守，并且有可能是動(dòng)態(tài)的，所以如何對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程簽約信息和業(yè)務(wù)信息配置就成了難題。另外，現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的安全架構(gòu)都是從人與人之間的通信需求出發(fā)的，不一定適合以機(jī)器與機(jī)器之間的通信為需求的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制會(huì)割裂物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器間的邏輯關(guān)系。

8．信息安全問(wèn)題

感知節(jié)點(diǎn)通常情況下功能單一、能量有限，使得它們無(wú)法擁有復(fù)雜的安全保護(hù)能力，而感知層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多種多樣，所采集的數(shù)據(jù)、傳輸?shù)男畔⒑拖⒁矝](méi)有特定的標(biāo)準(zhǔn)，所以無(wú)法提供統(tǒng)一的安全保護(hù)體系。

9．傳輸層和應(yīng)用層的安全隱患

在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳輸層和應(yīng)用層將面臨現(xiàn)有TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的所有安全問(wèn)題，同時(shí)還因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)在感知層所采集的數(shù)據(jù)格式多樣，來(lái)自各種各樣感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是海量的、并且是多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題將更加復(fù)雜。

打響安全保衛(wèi)戰(zhàn)

由于國(guó)家和地方政府的推動(dòng)，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)正在加速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的安全需求日益迫切。理順物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、明確物聯(lián)網(wǎng)中的特殊安全需求，考慮怎么樣用現(xiàn)有機(jī)制和技術(shù)手段來(lái)解決面物聯(lián)網(wǎng)臨的安全問(wèn)題，是目前當(dāng)務(wù)之急。

由于物聯(lián)網(wǎng)必須兼容和繼承現(xiàn)有的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等，因此現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全體系中的大部分機(jī)制仍然可以適用于物聯(lián)網(wǎng)，并能夠提供一定的安全性，如認(rèn)證機(jī)制、加密機(jī)制等。但是還需要根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的特征對(duì)安全機(jī)制進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充。

可以認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)的安全問(wèn)題同樣也要走“分而治之”、分層解決的路子。傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的不同層都有相應(yīng)的安全措施和對(duì)應(yīng)方法，這套比較完整的方法，不能原樣照搬到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，而要根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和特殊性進(jìn)行調(diào)整。物聯(lián)網(wǎng)感知層、感知層與主干網(wǎng)絡(luò)接口以下的部分的安全防御技術(shù)主要依賴于傳統(tǒng)的信息安全的知識(shí)。

1．物聯(lián)網(wǎng)中的加密機(jī)制

密碼編碼學(xué)是保障信息安全的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)中加密的應(yīng)用通常有兩種形式：點(diǎn)到點(diǎn)加密和端到端加密。從目前學(xué)術(shù)界所公認(rèn)的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)來(lái)看，不論是點(diǎn)點(diǎn)加密還是端端加密，實(shí)現(xiàn)起來(lái)都有困難，因?yàn)樵诟兄獙拥墓?jié)點(diǎn)上要運(yùn)行一個(gè)加密/解密程序不僅需要存儲(chǔ)開(kāi)銷、高速的CPU，而且還要消耗節(jié)點(diǎn)的能量。因此，在物聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)加密機(jī)制原則上有可能，但是技術(shù)實(shí)施上難度大。

2．節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證機(jī)制

認(rèn)證機(jī)制是指通信的數(shù)據(jù)接收方能夠確認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)送方的真實(shí)身份，以及數(shù)據(jù)在傳送過(guò)程中是否遭到篡改。從物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)來(lái)看，感知層的認(rèn)證機(jī)制非常有必要。身份認(rèn)證是確保節(jié)點(diǎn)的身份信息，加密機(jī)制通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼來(lái)保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，以防止數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中被竊取。

PKI是利用公鑰理論和技術(shù)建立的提供信息安全服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，是解決信息的真實(shí)性、完整性、機(jī)密性和不可否認(rèn)性這一系列問(wèn)題的技術(shù)基礎(chǔ)，是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下保障信息安全的重要方案。

3．訪問(wèn)控制技術(shù)

訪問(wèn)控制在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下被賦予了新的內(nèi)涵，從TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中主要給“人”進(jìn)行訪問(wèn)授權(quán)、變成了給機(jī)器進(jìn)行訪問(wèn)授權(quán)，有限制的分配、交互共享數(shù)據(jù)，在機(jī)器與機(jī)器之間將變得更加復(fù)雜。

4．態(tài)勢(shì)分析及其他

網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)感知與評(píng)估技術(shù)是對(duì)當(dāng)前和未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定量和定性的評(píng)價(jià)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的一種新的網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)感知與評(píng)估的有關(guān)理論和技術(shù)還是一個(gè)正在開(kāi)展的研究領(lǐng)域。

深入研究這一領(lǐng)域的科學(xué)問(wèn)題，從理論到實(shí)踐意義上來(lái)講都非常值得期待，因?yàn)橥瑐鹘y(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)相比，傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的態(tài)勢(shì)感知與評(píng)估被賦予了新的研究?jī)?nèi)涵，不僅僅是網(wǎng)絡(luò)安全單一方面的問(wèn)題，還涉及到傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的本身問(wèn)題，如傳感智能節(jié)點(diǎn)的能量存儲(chǔ)問(wèn)題、節(jié)點(diǎn)布局過(guò)程中的傳輸延遲問(wèn)題、匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量問(wèn)題等。這些網(wǎng)絡(luò)本身的因素對(duì)于傳感網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行都是致命的。所以，在傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中態(tài)勢(shì)感知與評(píng)估已經(jīng)超越了IP網(wǎng)絡(luò)中單純的網(wǎng)絡(luò)安全的意義，已經(jīng)從網(wǎng)絡(luò)安全延伸到了網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控；另外，傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是多源的、異構(gòu)的，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性和冗余性，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

在同時(shí)考慮外來(lái)入侵的前提下，需要對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)挖掘分析、從數(shù)據(jù)中找出統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。通過(guò)建立傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)析取的各種數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行規(guī)則挖掘和融合、推理、歸納等，提出能客觀、全面地對(duì)大規(guī)模傳感網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行做態(tài)勢(shì)評(píng)估的指標(biāo)，為傳感網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行提供分析報(bào)警等措施。