物联网安全体系结构及关键技术的分析与研究

2014届毕业生论文

论文题目：物联网安全体系结构及关键技

术的分析与研究

系别：计算机学院

专业：网络工程

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随着网络技术的迅速发展和广泛应用，物联网的概念进入人们的视野，物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络，通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描仪等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络。物联网是互联网功能的扩展，物联网将面临着更加复杂的信息安全问题，在互联网的早期阶段，人们更关注基础理论和应用研究，随着网络和服务规模的不断增大，安全问题得以特显，引起了人们的高度重视，相继推出了一些安全技术，如入侵检测系统、密钥管理、认证与访问控制、隐私保护等。本文介绍了物联网的发展、安全问题及关键技术，给出了物联网安全模型，将从互联网的发展过程来探讨物联网的安全问题。

关键词：物联网；安全模型；关键技术

With the rapid development of network technology and the widespread application, the concept of Internet of things into people's horizons, an extension of the Internet of things is based on Internet and extension of a network, by means of radio frequency identification (RFID), infrared sensors, global positioning system (GPS), laser scanners, such as information sensing device, according to the contract agreement, to any item connected to the Internet, information exchange and communication, in order to realize to the intelligent identification, location, tracking and monitoring and management of network.Iot is an extension of the function of the Internet, the Internet of things will face more complex information security problems, in the early stages of the Internet, people pay more attention to the basic theory and application research, with the increasing of network and the service scale, security issues to show, caused the people attach great importance to, successively introduced some security techniques, such as intrusion detection systems, key management, authentication and access control, privacy protection and so on.This paper introduces the development of the Internet of things, security issues and key technologies, Internet security model is given, and from the development of the Internet to explore the safety issues of the Internet of things.

Key words:Internet of things; security model; key technology

1概述 (1)

1.1物联网的发展背景 (1)

1.2物联网概念 (2)

1.3物联网的发展现状 (2)

2物联网体系架构及关键技术 (3)

2.1物联网三层架构 (3)

2.2物联网的关键技术 (5)

2.2.1自动识别技术 (6)

2.2.2传感技术 (6)

2.2.3网络技术 (7)

3物联网安全问题 (7)

3.1感知层的安全问题 (8)

3.2网络层的安全问题 (8)

3.3应用层的安全问题 (9)

3.4物联网特殊安全问题 (9)

4物联网安全模型和关键技术 (10)

4.1物联网相关的安全特征 (10)

4.2物联网安全模型 (10)

4.3物联网安全的关键技术 (11)

4.3.1密钥管理机制 (11)

4.3.2虚拟专用网技术 (12)

4.3.3认证与访问控制 (13)

4.3.4入侵检测技术 (14)

4.3.5容侵容错技术 (14)

4.3.6数据处理与隐私性 (15)

5提高物联网安全的措施 (16)

6物联网未来的发展趋势与展望 (17)

7总结 (18)

致谢 (19)

参考文献 (20)

1概述

1.1物联网的发展背景

互联网技术的发展和移动通信网络的普及已经改变了人们的生活。短信取代了电报，网络会议减少了出差旅行，微博就像提供了一个个人广播电台，让人们进入了自媒体时代。互联网构造了一个虚拟的信息世界，人们在这个虚拟世界中可以随时随地交流各种信息。

互联网的缺点是不能实时提供真实世界的信息。当人们走进超市时，自然而然地想知道要买的商品位于哪个货架，价格是多少，这就需要人和物、物和物之间能够进行信息交流，于是物联网应运而生。手机支付、高速公路的不停车收费、智能家居等正在走入人们的生活，而这些只不过是物联网影院的初级阶段。

1999年，美国麻省理工学院的自动识别中心（2003年改为实验室）在研究射频识别是提出了物联网的概念雏形，最初是针对物流行业的自动监控和管理系统设计的，其设想是给每个物品都添上电子标签，通过自动扫描设备，在互联网的基础上，构造一个物-物通信的全球网络，目的是实现物品信息的的实时共享。1999年，中国科学院启动传感网项目，开始了中国物联网的研究，以便利用传感器组成的网络采集真实生活种的物体信息。2003年，美国《技术评论》把传感网络评为未来改变人们生活的师大技术之首。

2005年，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了物联网的概念。报告指出，世界上多有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过互联网主动进行信息交换。ITU扩展了物联网的定义和范围，使其不再只是基于RFID，而是利用嵌入到各种物品种的短距离移动收发器，把人与人的通信延伸到人与物、物与物的通信。

2009年，IBM公司提出智慧地球的概念，得到美国政府批准，计划投资新一代的智慧型基础设施。IBM人为信息技术产业下一阶段的任务是把新一代IT充分运用在各行各业种，具体说，就是把传感器嵌入到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并进行连接，形成物联网。

2009年，中国政府提出“感知中国”的战略，物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”。这是物联网在中国受到了全社会极大的关注，一些高等院校也开设了物联网工程专业。2011年正式颁布的中国“十二五”规划指出，在新兴战略性产业，新一代信息技术产业的发展重点是物联网、云计算、三网融合、集成电路等。

目前，物联网的发展如火如荼，验证了IBM前首席执行官郭士纳提出的“十五年周期定律”，即计算模式每个十五年发生一次变革。该定律认为1965年前后发生变革以大型机为标志，1980年前后以个人计算机的普及为标志，而1995年前后则发生了互联网革命。这样看来，新的周期将以2010年前后物联网的兴起为标志。

2008年，欧洲智能系统集成技术平台（缩写为EPoSS,是一个行业驱动的政策计划）在其《2020年的物联网》报告中，对物联网的发展做了分析预测，认为未来物联网的发展将经历四个阶段：2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域，2010~2015年物体互联，2015~2020年物体进入半智能化，2020年之后进入全智能化。

由此可见，物联网的发展最终将取决于智能技术的发展。要使物体具有一定的智能，至少要在每个物体中植入一个识别芯片。物体的种类、数量以及芯片的成本和处理能力等，都是限制物联网全球普及的因素，因此，真正步入理想的物联网时代还需要一个漫长的过程。

1.2物联网的概念

物联网顾名思义就是物-物相连的互联网。这说明物联网是一种通信网络，目前较为大家所接受的物联网的基本含义是：通过RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网的核心概念在与“基于网络对物品信息的按需、自动、及时、可靠感知“。在实际应用中，可以把感应器、处理器和无线通信模块嵌入或装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑等各种物体中，使它们相互连接，构成物联网。一般认为物联网应具备三个基本特征：（1）及时感知信息，即利用各种可用的感知手段，能实现对物体动态信息的实时采集；（2）可靠传输信息，即通过各种信息与互联网的融合，将感知的信息准确可靠地传送出去；（3）智能处理信息，即利用云计算等智能计算技术对海量的数据和信息进行分析和处理，以便按需、自动地获取到有用信息并对其进行利用。物联网的本质是通过能够获取物体信息的传感器来进行信息采集，通过网络进行信息传输与交换，通过信息处理系统进行信息加工及决策。

1.3物联网的发展现状

2005年，ITU发布《ITU互联网报告2005:物联网》宣布了无所不在的物联网通信时代即将来临，物联网通过智能感知与识别、普适计算、泛在网络的融合应用，使之成为继计算机、互联网之后，世界信息技术的第三次革命。随后，美国“智慧地球”和国内“感知中国”概念的提出，世界上已有多个国家在积极地对物联网进行研究。目前，美国、欧盟、日本、中国等都在巨资深入研究探索物联网。

美国国防部于2000年把传感网定为五大国防建设领域之一，仅在美墨边境“虚拟栅栏”就投入470亿美元；美国政府对更新美国信息高速公路提出了更具高新技术含量的信息化新方案，大力投资新一代智慧型基础设施。欧盟发布了下一代全欧移动宽带长期演进与超越以及研发与创新战略；2008年在法国召开的欧洲物联网大会的重要议题包括未来互联网和物联网的挑战、物联网中的隐私权、物联网在主要工业部门中的影响等内容。欧盟委员会和欧洲技术专家们则将目光重点放在EPC-global 网络架构在经济、安全、隐私和管理等方面的问题上，他们希望能够建立一套公平的、

分布式管理的唯一标识符。日本政府曾紧急出台数字日本创新项目“ICT鸠山大计划行”动大纲，提出“u-Japan”战略，目标在于实现以4U为特征的随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络社会。韩国于2006年出台了类似的“u-Korea”战略，构建以先进信息基础设施为基础的、无所不在的社会。同时，澳大利亚、新加坡、法国、德国等其他发达国家也加快部署下一代网络基础设施的步伐，与物联网相关的全球信息化工作正在引发当今世界的深刻变革。

2009年8月，温家宝总理在无锡调研时，提出了把国家传感网络中心设在无锡、辐射全国的想法，要求“在国家重大科技专项种，加快推进传感网发展”；工业与信息化部提出要提早谋划传感网、物联网的发展，突破关键技术，开展应用示范，加强TD-SCDMA与传感网的密切结合，推进传感网与通信网融合发展；2010年，国务院将物联网提升为国家五大战略性新兴产业的第二位，并在全国若干所高校开办物联网工程新专业，为推动物联网的发展培养大量人才。

目前，在物联网产业领域我国的技术研发水平处于世界前列。中国科学院早在1999年就与世界主要国家几乎同步启动了传感网络相关技术研究。2009年10月，西安优势微电子公司宣布第一颗物联网的中国芯—“唐芯一号”芯片研制成功，可以满足各种条件下WSN、无线个域网、有源RFID等物联网应用的特殊需要；同年1月上旬，“以太视讯网络信息服务系统开发成功”，该系统属于物联网实现数据、语音、视讯三网合一的基础组件。此外北京成立了中关村物联网产业联盟、江苏建立了国家传感网国际科技合作基地、福建从事物联网相关生产和应用系统开发的厂商急剧增加。2物联网的体系结构及关键技术

2.1物联网体系结构

物联网是物理世界与信息空间的深度融合系统，设计众多的技术领域和应用行业，需要对物联网中设备实体的功能、行为和角色进行梳理，从各种物联网的应用中总结出原件、组件、模块和功能的共性和区别，建立一种科学的物联网体系结构，以促进物联网标准的统一规定，规范和引领物联网产业的发展。各种网络的体系结构都是按照分层的思想建立的，分层就是按照数据流动的关系对整个物联网进行切割，按照物联网数据的产生、传输和处理流动的方向，物联网的体系结构分为3层，从下到上分别是感知层、网络层和应用层。如图1所示

图1 物联网体系结构

在物联网体系架构中，三层的关系可以理解为：感知层相当于人体的皮肤和五官；网络层相当于人体的神经中枢和大脑；应用层相当于人的社会分工。具体解释为：感知层是物联网的皮肤和五官—识别物体，采集信息；感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等，其主要作用是识别物体，采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。网络层是物联网的神经中枢和大脑—信息传递和处理；网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心和信息处理中心等；网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。应用层实现广泛智能化；应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会。在各层之间，信息不是单向传递的，也有交互、控制等，所传递的信息多种多样，这其中关键是物品的信息，包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息。下面对这三层的功能和关键技术进行分别介绍。

感知层，解决人类世界和物理世界的数据获取问题，其中包括各类物理量、标识、音频、视频数据等。作为物联网的最基本一层，感知层具有十分重要的作用。感知层处于物联网体系结构的最底层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分，即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据，通过蓝牙、红外、ZigBee、工业现场总线等短距离有线或无线传输技术进行协同工作或者传递数据到网关设备。也可以只有数据的短距离传输这一部分，特别是在仅传递物品的识别码的情况下。

网络层，物联网网络层是在现有网络的基础上建立起来的，它与目前主流的移动

通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网等网络一样，主要承担着数据传输的功能，特别是当三网融合后，有线电视网也能承担数据传输的功能。在物联网中，要求网络层能够把感知层感知到的数据无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，它解决的是感知层所获得的数据在一定范围内，尤其是远距离地传输问题。同时，物联网网络层将承担比现有网络更大的数据量和面临更高的服务质量要求，所以现有网络尚不能满足物联网的需求，这就意味着物联网需要对现有网络进行融合和扩展，利用新技术以实现更加广泛和高效的互联功能。

应用层，应用是物联网发展的驱动力和目的。应用层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。这一层解决的是信息处理和人机界面的问题.具体的讲，应用层将网络层传输来的数据通过各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人进行交互。这一层也可按形态直观地划分为两个子层：一个是应用程序层；另一个是终端设备层。应用程序层进行数据处理，完成跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能，包括电力、医疗、银行、交通、环保、物流、工业、农业、城市管理、家居生活等，可用于政府、企业、社会组织、家庭、个人等，这正是物联网作为深度信息化网络的重要体现。而终端设备层主要是提供人机界面，物联网虽然是“物物相连的网”，但最终是要以人为本的，最终还是需要人的操作与控制，不过这里的人机界面已远远超出现在人与计算机交互的概念，而是泛指与应用程序相连的各种设备与人的反馈。物联网体系结构的3层模型体现了物联网的3个明显特点：全面感知、可靠传输和智能处理。2.2物联网的关键技术

按照物联网的层次体系结构，每一层都有自己的关键技术。感知层的关键技术是感知和自动识别技术。传输层的关键技术是无线传输网络技术和互联网技术。处理层的关键技术是数据库技术和云计算技术。应用层的关键技术是行业专用技术与物联网技术的集成。

另外还有一些技术是针对整个物联网各层次共性的，例如，如何建立一个准确的易于实现物联网体系机构模型？如何让建立一个可信、可靠和安全的物联网？如何保证物联网的服务质量？如何管理和运营整个物联网？欧洲物联网项目总体协助组2009年发布了《物联网战略研究路线图》报告，2010年发布了《物联网实现的展望和挑战》报告。在这两份报告中，将物联网的支撑技术分为如下几种：识别技术、物联网体系结构技术、通信技术、网络技术、网络发现、软件和算法、硬件、数据和信号处理技术、发现和搜索引擎技术、网络管理技术、功率和能量存储技术、安全和隐私技术、标准化。

2.2.1自动识别技术

最典型的自动识别技术就是超市的购物结账系统。收银台通过扫描商品上的条码，就能自动得知商品的种类、价格等信息。自动识别技术可以分为两类：一种是被