物联网网关设计
物联网安全接入网关的设计与实现

物联 网安全接 入 网关 的 设计 与实现
一
孙论强 ,秦海权 ,尹丹 。 一
( 安 部 第 一 研 究 所 ,北 京 1 0 4 公 0 0 8) 摘 要 :文章 通过 分析物 联 网发展过 程 中存在 的安 全 问题 ,提 出了如何通 过物 联 网安 全接 入 网关 ,构 建
Ke o d :ne e o i s O ) sc r ac s g t a ; rtc l e c o ;dpha a s fh a y r s i r t fhn ( T ;eu e c es a w y poo o d t t n e t n l i o e t w tn t g J e ei ys t da
下功 能简单 、携 带能量 少,使得它们无法 拥有复杂的安全 保护 能力 ;此外,感 知_ 大 多位于公共场合或无 人看守 区,其物理 节| 安全 无法得到有 效保证 ;3 )传感 网络安 全可控性 差 。感 知廿J 的链接 和数 据传输差 异性 明显 ,既可通过互联 网、移动通信网
等公用通信 网传输 ,也可通过 自 网络传输 ,协议复杂,多样性 突出。由于传感 网络的复杂 、 有 无序性 和不可控性,导致传输过程
中被攻击和入侵、信息泄漏、 数据篡改等安全风险增大 ; ) 4 感知数据的跨网络和跨信任域访问风险增高 。感知节 获取的数
据需经过传感网络传输进入核 网, 对感知节・的控制信令也会 经由核心网下发到传感 网络中的感知节点或感 知汇 聚节 电 。不 同信 任域 、 安全域 、 不同协议 的网络互联会导致严重的安全问题 , 包括形成跨网络和跨信任域双向攻击,协 转换 造成 的可靠性 和可用 议 性降低 ,高信任域的敏感信息外泄 , 低信任域的病毒木马恶意信息流入等多种问题。
什么是物联网网关?主要功能有哪些?

什么是物联⽹⽹关?主要功能有哪些?随着物联⽹慢慢的发展,现在⼈们已经都离不开物联⽹了,所以⼈们也都渐渐理解了嵌⼊式,不过作为⽹光设备,物联⽹是要担负不同的责任的,下⾯先来了解下什么是物联⽹关吧。
什么是物联⽹关?从⼀个房间⾛到另⼀个房间,必然要经过⼀扇门。
同样,从⼀个⽹络向另⼀个⽹络发送信息,也必须经过⼀道“关⼝”,这道关⼝就是⽹关。
⽹关⼜称⽹间连接器、协议转换器。
在物联⽹的体系架构中,在感知层和⽹络层两个不同的⽹络之间需要⼀个中间设备,那就是“物联⽹⽹关”。
物联⽹⽹关既可以⽤于⼴域⽹互连,也可以⽤于局域⽹互连。
此外物联⽹⽹关还需要具备设备管理功能,运营商通过物联⽹⽹关设备可以管理底层的各感知节点,了解各节点的相关信息,并实现远程控制。
物联⽹⽹关的功能主要包括三个1、协议转换能⼒从不同的感知⽹络到接⼊⽹络的协议转换、将下层的标准格式的数据统⼀封装、保证不同的感知⽹络的协议能够变成统⼀的数据和信令;将上层下发的数据包解析成感知层协议可以识别的信令和控制指令。
2、可管理能⼒⾸先要对⽹关进⾏管理,如注册管理、权限管理、状态监管等。
⽹关实现⼦⽹内的节点的管理,如获取节点的标识、状态、属性、能量等,以及远程实现唤醒、控制、诊断、升级和维护等。
由于⼦⽹的技术标准不同,协议的复杂性不同,所以⽹关具有的管理性能⼒不同。
3、⼴泛的接⼊能⼒⽬前⽤于近程通信的技术标准很多,现在国内外已经在展开针对物联⽹⽹关进⾏标准化⼯作,如传感器⼯作组,实现各种通信技术标准的互联互通。
物联⽹⽹关设计需要考虑的两个因素:1、数据安全:这是决定⼤规模物联⽹能成败的关键要素。
随着⽹络成更多应⽤的重要组成部分,数据安全变得更加重要。
安全问题应落实到每⼀个设计阶段,⽽在设计任务全部完成后再增加安全功能的做法是错误的。
2、可维护:没有系统是完美⽆缺的。
不管部署前做过多少测试,部署后还会发现安全缺陷、隐患和漏洞。
物联⽹⽹关和节点必须⽀持现场维护和更新功能。
物联网ZigBee网关的设计与实现

A b s t r a c t : T h e mo s t u s e d Z i g B e e p r o t o c o l i n I n t e r n e t o f T h i n g s ( I O T ) i s n o t c o mp a t i b l e、 t h t h e T C P / I P p r o t o c o l s . S O
计 算 机 系 统 应 用
h t t p : / / 、 V w 、 ) v . c — S - a . o r g . c n
2 0 1 3年 第 2 2卷 第 6期
物联网 Z i g B e e网关的设计 与实现①
张艺粟 , 一 , 李鸿彬 , 贾军营 , 于 波
( 中国科学院大学,北京 1 0 0 0 4 9 ) ( 中国科学院 沈阳计算技术研究所,沈阳 1 1 0 1 6 8 )
摘
要: 物 联网中应用广泛的 Z i g B e e 协议与传统的 T C P / I P协议并不兼容,如何实现 两种异构网络 的融合是物联
网的关键技术所在 . 对物联 网网关 的需求进行 了分析,并基于 C C 2 5 3 0开发套件 、 龙芯 1 B开发板、 Z s t a c k协议栈 和嵌入式 l i n u x系统, 设计并实现 了一个物 联网 Z i g B e e 网关的原型系统, 完成 了 Z i g B e e网络的管理 、协议转换、 数据收发等功能, 并通过实验对各部分功能进行 了验证. 关键词 :网关: Z i g B e e ; 物 联网; T C P / I P ;嵌入式 L i n u x
he t c on v e r g e n c e o f t h e s e t wo k i n d s o f n e t wo r k s i s t h e e s s e n t i a l t e c h no l o g y i n I OT. Th e he t s i s a n a l y z e s t h e r e q u i r e me n t o f t h e I OT g a t e wa y a t t h e b e gi n n i n g ,t h e n d e s i g n s a nd r e a l i z e s a Zi g Be e g a t e wa y p r o t o t yp e ,b a s e d o n t h e CC25 3 0 d e v e l o p k i t , L on g s o n 1 B d e v e l o p b o a r d, Zs t a c k a n d e mb e d d e d Li n u x s y s t e m,a c hi e v e s f u nc t i o n s s u c h s a ma na g e me n t o f he t Zi g Be e n e wo t r k, p r o t o c o l c o n v e r s i o n nd a d a t a t r a n s mi s s i o n , nd a t h e n v e r i f i e s he t s e f u n c t i o n s t h r o u g h e x p e r i me n t s .
物联网网关的设计

物联网网关的理解物联网网关,作为一个新的名词,在未来的物联网时代将会扮演非常重要的角色。
它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。
作为网关设备,物联网网关可以实现感知网络与通信网络,以及不同类型感知网络之间的协议转换。
既可以实现广域互联,也可以实现局域互联。
此外物联网网关还需要具备设备管理功能,运营商通过物联网网关设备可以管理底层的各感知节点,了解各节点的相关信息,并实现远程控制。
作为农业物联网的应用,我们对网关的需求是,把收集到的感知数据通过zigbee有线/无线的方式传到网关,再经一定形式的转换可以通过3G/WIFI等网络进行远程传输,进而应用与上位机。
一:物联网网关设计的基本要求(1)同时处理来自感知层的数据和来自用户层的数据,需要较好的协作能力。
(2)具备移动过程中的稳定性,网关本身在移动过程中依然可正确接收、发送并处理来自其他网络层的请求和应答。
(3)具备协议解析和信息处理的能力,完成ZIGBEE 协议与TCP 协议转换。
(4)具备数据存储的能力,能够对多个传感器节点的实时数据进行存储,并能存储用户PC 的信息以及网关本身的一些必备参数。
(5)具备较高的运算能力,由于物联网网关的特点之一是要有对多个传感器节点的接收能力,同时还有支持多个用户访问。
(6)便于操作,便于升级和维护。
二:硬件部分基于模块化的设计思想可以将网关分为三个部分。
1 数据采集模块:数据采集模块负责传感网的数据采集和汇聚。
物联网网关可以采用的传感网络模块有Zigbee、蓝牙、RFID等。
2数据处理存储模块:数据处理\存储模块负责数据的协议转换、管理和安全等,并具有数据处理和存储的功能,是网关的核心模块。
3 接入模块:通过接入模块,网关可以接入广域网。
接入方式包括有线方式,如以太网;无线方式,包括3G、WIFI等。
其总体框架如下图所示:网关结构示意图根据结构图,合理的选用开发平台,进行接口连接。
具体连接电路图有待于进一步讨论。
物联网安全接入网关的设计与实现

物联网安全接入网关的设计与实现摘要:针对物联网设备接入互联网时面临的安全问题,采取相应的安全机制和措施,可以确保物联网数据的保密性、完整性和可用性,从而有效保障物联网的安全和稳定性。
本文基于前面众多学者的研究内容,总结出了基于传感安全接入网关的物联网安全构建方案。
关键词:物联网;安全接入网关;传感网络导言随着物联网技术的不断发展,大量的智能硬件设备被嵌入到各种家用电器、工业设备中,实现对物理世界的智能化感知和控制。
在物联网的应用中,安全问题是一个非常重要的方面。
物联网设备接入互联网时面临着各种各样的安全威胁,如何在物联网设备接入互联网时提供安全可靠的服务,成为了一个亟待解决的问题。
本文基于前面众多学者的研究内容,总结出了基于传感安全接入网关的物联网安全构建方案。
1面临的问题近年来,随着物联网技术的迅速发展和广泛应用,物联网的安全问题日益复杂化和严峻化,包括设备和网络安全、数据和隐私保护、身份认证和访问控制等方面的安全问题。
如果不能很好地解决这些安全风险问题,将会给人们的生活和工作带来困扰,甚至会对国家安全造成影响。
目前物联网面临着许多的问题:1)感知数据类别非常多,涵盖了视频、图像、语音、传感器等多种形式。
每种数据类型都有自己独特的特征和格式,以及处理和解析时需要遵从的规则和标准。
视频类数据是物联网中重要的一种感知数据,主要指通过摄像头、监控设备等设备采集的图像和视频信号,包括监控摄像、视频直播、视频会议等应用场景。
在物联网中,视频类数据应用广泛。
RFID射频识别技术是一种自动识别技术,其标签中携带的信息可以通过无线电波进行读写。
GPS全球定位系统是一种卫星导航定位技术,可以通过卫星信号确定地球上任何一个位置的经纬度坐标。
激光扫描是一种高速、高精度的三维测量技术,可以通过激光束扫描建立物体表面的三维模型。
开关类格式数据是指记录设备或系统的开闭状态信息,用于表示设备或系统的运行状态。
2)感知节点安全保护能力弱。
可配置物联网网关设计与实现

0 引言网关作为物联网技术的核心组成部件,具有承上启下的作用,是用于连接感知层网络与上层公共网络的纽带,也被视为一种协议转换器。
网关正朝着效率、实时性、抗干扰能力逐渐提升的方向发展,应用的场景也越来越多,在农业、工业、交通、智慧电网等诸多场景都有一席之地。
应用场景的增加导致网关种类随之增多,如家居智能网关、工业数据网关和交通管控网关等。
网关的功能是相通的,主要用于协议转换、数据交互、网络互联互通,区别在于各网关的应用场景不同。
传统网关的创建方法是把现场设备的数据先收集到网关节点,利用内嵌协议分析转换器将处理完毕的数据通过MQTT物联网协议传送到客户自定义的云平台[1-2]。
存在支持的数据协议较为单一、应用范围较小、开放性不足等问题,当现场使用的设备和数据协议发生改变时,需要重新对网关程序进行二次开发,花费大量的人力物力。
针对此类问题,设计一种支持多种接入协议、具备边缘计算特性以提高网关的通用性[3]、数据采集可配置以减少数据冗余,避免浪费传输带宽的物联网网关就变得十分重要。
1 可配置物联网网关架构1.1 软件架构物联网网关整体框架可分为五层,如图1所示。
感知层作为物联网关框架的第一层,用于采集各类接入网关设备数据,并将采集的数据上传给数据处理层。
数据处理层对感知层上传的数据包进行解析和协议转换,将数据分析成标准格式后交给边缘计算层处理[4]。
图1 物联网网关总体设计框架边缘计算层作为物联网网关的核心层,需要对转换后的标准格式数据进行边缘计算,包括数据运算、逻辑判断、信号联动和故障研判。
边缘计算的内容需要预先设定,计算方法由用户设定。
传输层用于传输感知层采集的数据,使用4G网络传输。
应用层是指对采集设备的数据进行本地动态曲线显示,网关的本地显示使用微信小程序实现[5]。
1.2 硬件架构物联网网关硬件平台由边缘计算核心板EC Core-L-1和网关底板和扩展单片机STM32F4007IG组成,其连接和软件架构如图2和图3所示。
面向物联网应用的UART-WIFI网关设计

a e h i e v e t h e c o n v e r s i o n b e t we e n t h e d a t a t h e b y s e r i a l c o n i f g u r a t i o n mo d u l e p a r a me t e r s ,a s we l l a s u s e r s e ia r l t o wi r e l e s s n e t wo r k
v i a UAR T—W I F I mo d u l e .t h e t r a d i t i o n a l s e r i a l d e v i c e s c a n e a s i l y a c c e s s 山e wi r e l e s s n e t w o r k.T h e a r t i c l e f o c n s e s o n t h e o v e r a l l a r — c h i t e c t u r e o f t h e s y s t e m s o f t w a r e d e s i g n.c u s t o m p r o t o c o l s a n d t h e i mp l e me n t a t i o n o f t h e k e y i s s u e s t h a t n e e d t o b e a d d r e s s e d .T h e e x p e i r me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e U AR T —WI F I mo d u l e d e s i g n e d wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n p e r f o r ms w e l l a n d s t a b l y . K e y wo r d s: I n t e me t o f T h i n g s; g a t e wa y; WI F I ; UA RT
基于ZIGBEE及TCP技术的物联网网关设计

到TCP/IP协议中去,以便能通过互联网监控环境,管理好接入点。
物联网网关是连接异构的重要设备,加强对网关技术的研究非常重要。
1 物联网发展及其网关设计技术物联网这一发展概念于20世纪90年代提出,但是由于受到技术手段的多方面限制,并未形成系统化、生态化、产业化链接,在近十年才真正得以快速发展。
在互联网信息技术基础之上,推动了物联网技术的延伸及逐步拓展,最终实现的技术目标,达到了全面化感知及智能化信息传输处理。
物联网技术协议明显差异于传统互联网协议,传统互联网主要是基于TCP/IP协议构建形成。
在物联网网络中则主要可以借助M2M协议,或者基于Zigbee协议完成网络信息节点之间的数据传输。
不同数据传输达到了近距离、数据量较小,但是整体数据传输节点密度相对较高。
绝大多数的物联网系统架构,并非所有物联网节点都需要实现以太网接入,通常是部分代理节点实现类似网关功能,实现了节点内部非TCP/IP协议转换,之后传输至远端服务器。
远程服务器设备实现对来自物联网数据的存储、持久化分析及ETL,由于物联网单节点之间的信息量相对较小,但是普遍存在了较高的节点密度,需要代理阶段针对数据转发能力相对较好,具备较高可靠性,便于更加完整及时的接受相关节点数据。
而针对智能化节点传输,每一个物联网传输网络节点,都可能作为一个数据传输发送节点,要求服务器设备能够更加可靠的接收到智能化终端数据,且实现了每一个不同数据的合理标定,避免出现数据信息混淆情况。
现阶段,物联网网关实现技术有多种。
第一,是通过通道机制实现。
接收到无线传感器数据时,不经解封就作为以太网载荷,加上TCP/IP的包头传输到IP网络主机上去。
主机收到数据后,对其进行解析。
这种通道机制实现技术有着2 物联网体系架构设计以及系统需求■2.1 体系架构物联网具有三个特征,一是全面感知功能,能使用RFID、传感器等获取到物体的信息。
二是能实现电信网络融合互联网,将物体的信息准确及时的传送出去。
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Wi-Fi DTU
Wi-Fi DTU
Wi-Fi热点
自组网系统
WiFi 的设置至少需要一个(AP)和一个或一个以上的客户 端。AP 每100ms将SSID(服务集标识符)经由beacon(信 号台)封包广播一次beacons封包的传输速率是1 Mbit/s, 并且长度相当的短,所以这个广播动作对网络效能的影响 不大。因为WiFi规定的最低传输速率是1 Mbit/s ,所以确保 所有的WiFi 客户端端都能收到这个SSID广播封包,client 可以借此决定是否要和这一个SSID的AP连线。使用者可以 设定要连线到哪一个SSID。在Wi-Fi模块配置是指定SSID。
GPRS DTU网关
GPRS DTU网关
运营商
自组网系统
GPRS DTU登陆GSM网络,然后进行GPRS PPP拨号。拨号成功后,GPRS DTU将获得 一个由移动随机分配的内部IP地址。数据中 心的公网IP地址或固定的域名作为参数存储 在GPRS DTU内,以便GPRS DTU一旦上电 拨号成功,就可以主动连接到数据中心。
RS232
Zigbee汇集器
无线网关
GPRS模块/ WCDMA模块/ Wi-Fi模块
FLASH
电源管理模块
SIM卡
有线网关
GPRS DTU工作过程描述
GPRS DTU上电后,首先读出内部FLASH中保存的工作参数(包括GPRS拨号 参数,串口波特率,数据中心IP地址等等,事先已经配置好)。GPRS DTU 登陆GSM网络,然后进行GPRS PPP拨号。拨号成功后,GPRS DTU将获得一 个由移动随机分配的内部IP地址(一般是10.X.X.X)。也就是说,GPRS DTU处 于移动内网中,而且其内网IP地址通常是不固定的,随着每次拨号而变化。 我们可以理解为GPRS DTU这时是一个移动内部局域网内的设备,通过移动 网关来实现与外部Internet公网的通信。这与局域网内的电脑通过网关访问 外部网络的方式相似。GPRS DTU主动发起与数据中心的通信连接,并保持 通信连接一直存在。由于GPRS DTU处于移动内网,而且IP地址不固定。因 此,只能由GPRS DTU主动连接数据中心,而不能由数据中心主动连接GPRS DTU。这就要求数据中心具备固定的公网IP地址或固定的域名。数据中心的 公网IP地址或固定的域名作为参数存储在GPRS DTU内,以便GPRS DTU一旦 上电拨号成功,就可以主动连接到数据中心。
物联网应用的领域
应用领域: 1、物流: 物流过程中的货物追踪,信息自动采集,仓储应用,港口应用,邮政,快 递 2、零售: 商品的销售数据实时统计,补货,防盗 3、制造业: 生产数据的实时监控,质量追踪,自动化生产 4、服装业: 自动化生产,仓储管理,品牌管理,单品管理,渠道管理 5、医疗: 医疗器械管理,病人身份识别,婴儿防盗 6、身份识别: 电子护照,身份证,学生证等各种电子证件。 7、防伪: 贵重物品(烟,酒,药品)的防伪,票证的防伪等 8、资产管理: 各类资产(贵重的或数量大相似性高的或危险品等) 9、交通: 高速不停车,出租车管理,公交车枢纽管理,铁路机车 识别等 10、食品: 水果,蔬菜,生鲜,食品等保鲜度管理 11、动物识别: 训养动物,畜牧牲口,宠物等识别管理 12、图书馆: 书店,图书馆,出版社等应用 13、汽车: 制造,防盗,定位,车钥匙 14、航空: 制造,旅客机票,行李包裹追踪 15、军事: 弹药,枪支,物资,人员,卡车等识别与追踪 16、其它:
物联网网关设计
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什么是物联网
物联网(Internet of Things)是一个基于 互联网、传统电信网等信息承载体,让 所有能够被独立寻址的普通物理对象实 现互联互通的网络。它具有普通对象设 备化、自治终端互联化和普适服务智能 化3个重要特征。
物联网的意义
物联网系统设备
物联网采集节点
RF模块
TX/RX
FLASH
M路
供电单元
物联网组网协议
ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4 标准基础上建立的,定义了协 议的MAC(介质)和PHY(物理) 层。ZigBee设备应该包括 IEEE802.15.4(该标准定义了RF 射频以及与相邻设备之间通信) 的PHY和MAC层,以及ZigBee 堆栈层:网络层(NWK) 、应用层和安全服务提供层。 给出了这些组件的概况。
自组网系统
物联网网关设计总结
举例说明了3种网关架构方式和工作原理 1. GPRS DTU网关 2. Wi-Fi DTU 3. 多功能网关(工业PC) 本次讨论起个抛砖引玉的作用,还 有其它的更好的网关架构,希望后续 一起学习探讨。。。
物联网网关设计
谢谢!
物联网网关
什么是网关? 网关(Gateway)又称网间连接器、 协议转换器。网关在传输层上 以实现网络互连,是最复杂的 网络互连设备,仅用于两个高 层协议不同的网络互连。网关 的结构也和路由器类似,不同 的是互连层。网关既可以用于 广域网互连,也可以用于局域 网互连。
物联网网关模块
天线 时钟
天线
当今的电脑以及互联网几乎完全依赖于人类来提供信息。互联网上大约 有50PB (一个PB为1,024 TB) 的数据,其中大部分最初由人来获取和创 建的,通过打字、录音、照相或扫描条码等方式。传统的互联网蓝图中 忽略了为数最多并且最重要的节点——人。 而问题是,人的时间、精力 和准确度都是有限的,他们并不适于从真实世界中截获信息。这是一个 大问题。我们生活于一个物质世界中,想法和信息很重要,但物质世界 是更本质的。当今的信息技术如此依赖于人产生的信息,以至于我们的 电脑更了解思想而不是物质。如果电脑能不借助我们的帮助,就获知物 质世界中各种可以被获取的信息,我们将能够跟踪和计量那些物质,极 大地减少浪费、损失和消耗。我们将知晓物品何时需要更换、维修或召 回,他们是新的还是过了有效期。物联网有改变世界的潜能,就像互联 网一样,甚至更多。” 1PB相当于1024TB。即1PB=1024 TB=1024*1024 GB
多功能网关
Wi-Fi热点
运营商
自组网模块通过RS232或TTL链接PCM9375工控机, 工控机可选择X86系统或LINUX操作系统,在工控机 内安装GPRS驱动、WCDMA驱动、Wi-Fi驱动。只需 将在市场上购买的2G/3G或Wi-Fi网卡插入工控机USB 端口,在工控机上配置端口设置。上电后工控机根 据设置好的链接端口正常链接网络实现通讯。