物联网安全系统架构研究

专家新论
物联网安全系统架构研究
郭莉，严渡，沈延
（江南计算技术研究所．江苏无锡２１４０８３）
【摘 要】介绍了物联网的基本概念和组成，分析了物联网当前所面ｌ临的安全问题和安全需求。为了降低物联网使用的

安全风险，在给出物联网传统系统架构的基础上，通过在用户、物品和信息中心之间采取有效的安全防护措施，构建
了一种物联网安全系统架构。并详细说明了其组成结构以及认证、加密和访问控制机制的实现原理。通过部署安全系
１．１物联网的概念 随着信息通信技术的不断进步．通信网络作为信息通信技
术的重要基础，已经从人到人的通信发展到人与物以及物与物 （Ｍ２Ｍ），并逐渐趋向于从纵向的局部物物相连过渡到横向的跨 应用、跨地域的物联网（Ｉｎｔｃｍｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ，ＩＯＴ）。２００５年１１月 １７日．在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟（ＩＴＵ） 发布了《ｒｒＵ互联网报告２００５：物联网》，正式提出了“物联网” 的概念”。。物联网是指物品通过各种信息传感设备如射频识别、 红外感应器、全球定位系统及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、监控和管理的一种网 络”’。物联网是在ＴＣ跏Ｐ网络的延续和扩展．将网络的用户端 延伸和扩展到任何物与物之间，它是一种新型的信息传输和交 换形态，物联网时代已经到来。 １．２物联网的组成
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万方数据
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备应拒绝接收或向其发送除认证信息之外的指令或数据信息；
风险。然而，因每一个消息所经过的节点都要以此目的地址来 确定如何传输消息，这就导致端刭端加密方式不能掩盖被传输 消息的源点与终点．容易受到恶意攻击。因此，可根据物联网 不同的应用场合和模式．选择合适的加密机制；
参考文献 【１】胡向东．物联网研究与发展综述【Ｊ】．数字通信．２０１０（０２）：
１９－２３．
【２】武明虎，张宇．试论物联网引入带来的机遇与挑战【Ｊ】．信息 技术，２０１０（０５）：９７－９９．
【３】陈柳钦．物联网：国内外发展动态及亟待解决的关键问 题【ＥＢ／ＯＬ］．（２０１０—８—１０）［２０１０—９—１０］．ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｖａｌｕｅ．ｎｅｔ／ Ａｒｔｉｃｌｅ／Ａｒｃｈｉｖｅ／２０１０／８／１０／１９２２７１—１３．ｈｔｍｌ．‘蹬
收稿日期：２０１０—０９—１６ 作者简介－郭莉。１９７８年生。女，江南计算技术研究所工程师， 研究方向：信息安全；严波。１９７８年生，男。江南计算技 术研究所工程师．研究方向：网络安全；沈延。１９８３年生， 男，江南计算技术研究所助理工程师．研究方向：信息安全。 。基金项目：科技部支撑计划资助项目（编号： ２００８ＢＡＨ２２８０２）。
传统物联网系统架构中，采集和传输的信息暴露在网络中， 无任何安全措施。无法保证信息的真实性、机密性和完整性。 ３．２安全系统架构
由于物联网必须兼容和继承现有的ＴＣＰ／ＩＰ网络和无线移 动网络等．因此现有网络安全体系中的大部分机制仍然可以适 用于物联网，并能够提供一定的安全性。在传统物联网体系架 构基础上增加安全措施，满足系统安全需求，实现安全系统架构。 物联网安全系统架构如图２所示。
可以适用于所有业务．即不同的业务可以在统一的物联网业务 平台上实施安全管理，从而做到安全机制对业务的透明。端到 端加密在应用层进行。发送端加密，只能在接收端解密，可以 根据业务类型选择不同的安全策略，从而为高安全要求的业务 提供高安全等级的保护。在物联网中，根据不同的需求，考虑 采取不同的加密方式．为信息提供全方位的安全加密防护；
③访问控制机制：访问控制机制在物联网环境下被赋予了 新的内涵，从主要给人进行授权和访问控制．扩展到给机器和物 体进行授权和访问控制，有效阻断非法实体对资源的访问。访问 控制机制应在认证机制确认实体身份的基础上才能正确实施。
３系统安全加固方案
３．１传统系统架构 传统的物联网系统架构如图ｌ所示。
图１物联网传统系统架构
０引言
１概述
物联网是信息技术发展到一定阶段的产物，是全球信息 产业的又一次科技与经济浪潮，将影响到许多重大技术创新 和产业发展，受到各国政府、企业和科研机构的高度重视。 伊朗在建的布什尔核电站遭到Ｓｔｕｘｎｅｔ病毒攻击的消息一经伊 朗媒体报道，便成为网上热议的话题之一。Ｓｔｕｘｎｅｔ病毒的出现， 使得物联网的信息安全成为不容回避、刻不容缓的问题。同时， 物联网的信息安全问题是关系物联网产业能否安全可持续发 展的核心问题之一，必需引起高度重视。因此如何建立合理 的物联网安全架构和安全体系将对物联网的安全使用和可持 续发展有着重大影响。
当前，中国物联网的发展还在初级阶段．关于物联网的安 全机制基本还处于概念阶段．研究１二作任重而道远。但是，与传 统网络相比，物联网发展带来的信息安全、网络安全、数据安全 乃至国家安全问题更为严峻．更为突出。因此，物联网的发展必 须把安全放在首位，超前研究和解决产业发展可能带来的安全问 题．加强法制和技术手段建设，提高自主防范能力。以便在新的 技术革命和社会变革中掌握更多的话语权和主动权。
４结语
图２物联网安全系统架构
②加密机制实现信息在物联网中以数字信封的方式传送， 以保证信息传输的机密性和完整性。信息发送者使用对称算法 用对称密钥加密要传输的信息，再使用接收者的公钥加密对称 密钥信息，拼装后发送。数字信封的加密可采用节点到节点加 密（即逐跳加密），或端到端加密两种方式。如采用节点到节点 的加密方式，则数字信封的加密头在每跳节点需替换信封加密 头。直至传送至终点。但是，因节点到节点的加密方式在各节 点都存在将加密消息解密的风险，因此逐跳加密对传输路径中 的各传送节点的可信任度要求很高。如采用端到端加密的方式， 仅在终端节点解密消息。规避了消息在传输中间环节被解密的
③第三层是应用层，完成信息的分析处理和控制决策，以 实现用户定制的智能化应用和服务，最终达到物与物、人与物 之间的连接、识别和控制。
２信息安全问题与需求
物联网的推广使用能够给人们的生活带来便利。大大提高 工作效率，推动国民经济的大力发展，但是也必须注意到物联 网的使用会带来巨大的安伞隐患。信息化与网络化带来的风险 问题，在物联网中会变得更加迫切与复杂。因此在物联网时代， 安全问题面Ｉ临前所未有的挑战，如何建立安全、可靠的物联网 是摆在面前的迫切问题。 ２．１信息安全问题
信息安全面临的问题有以下方面： ①信息安全隐私：如射频识别技术被用于物联网系统时， 射频识别电子标签将被嵌入任何物品中，比如人们的日常生活 用品中，应当确保此类信息的隐私性，防止被非法获取。 ②假冒攻击：由于智能传感终端、射频识别电子标签相对 于攻击者来说是“裸露”的，且在一定范围内信息是在空中传 输的，导致传感器网络中的假冒攻击易实施。它极大地威胁着 传感器节点问的协同工作。 ③恶意代码攻击：恶意程序易入侵无线网络环境和传感网 络环境，它的传播性、隐蔽性和破坏性等相比ＴＣＰ／ＩＰ网络更加 难以防范。如蠕虫这样的恶意代码，本身不需要寄生文件，在 物联网环境中检测和清除此类恶意代码将很困难。 ④信息传输和处理的安全隐患：在物联网中，信息的传输和 处理面临现有ＴＣＰ／［Ｐ网络的所有安全问题。同时，由于物联网在 感知层所采集的数据格式多样，来自各种各样感知节点的数据是 海量的，且是多源异构数据，带来的网络安全问题将更加复杂”１。 ２．２信息安全需求 为了解决物联网信息安全的诸多问题，对物联网的安全机 制也提出了相应的要求，如下所述： ①认证机制：认证机制是指通信的双方能够确认对方真实 身份的实现方式。从物联网的体系结构来看，感知层和网络层 的认证机制是非常有必要，能有效防止假冒攻击，确保信息的 有效性。可使用ＰＫＩ公钥基础设施，实现基于公钥证书的双向 强身份认证，解决物联网中实体认证的问题； ②加密机制：加密机制能够保障信息传输的机密性和完整 性。防止信息在传输过程中被窃取或被篡改。在物联网中，可 采用节点到节点加密（即逐跳加密）和端到端加密两种方式。 节点到节点加密在网络层进行。在每个节点上进行密文的转换。
物联网是—个由感知层、网络层和应用层共同构成的大规模 信息系统。它具备三大特征：全面感知、可靠传递和智能处理”’：
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信息安全与谴信保密－２０１ ０．１ ２ ７３
①第一层是感知层，可由智能卡、射频识别电子标签及传 感器网络等组成，主要承担信息的采集工作；
②第二层是网络层，可由计算机、无线网络与有线网络等 组成，主要承担信息的传输工作；
安全系统架构中，在终端设备上内置密码芯片，信息处理 中心配置密码机，信息处理中心和互联网之间部署数据安全网 关。能提供信息的真实性、机密性和完整性保护，可有效阻断 非法实体对资源的访问。并可实现以下功能：
①认证机制实现：在信息处理中心安装安全登录认证系 统。实现基于ＰＫＩ公钥证书的登录认证机制。持有合法证书 的用户或机器等实体必须首先登录系统．与信息处理中心完 成基于证书的双向身份认证，才能进行后续的数据交换处理。 终端设备通过信息发送接收设备中转。完成与信息处理中心 的身份认证。对于未通过认证的终端设备，信息发送接收设
统架构，能对物联网的信息传输和信息访问提供有效的安全防护，有效提升物联网整体安全。
【关键词】物联网（ＩＯＤ；认证；加密；访问控制
【中图分类号】ＴＰ３９３
【文献标识码】Ａ
【文章编号】１００９—８０５４（２０１０）１２－００７３—０３
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Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｅｃｕｒｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ＩｏＴ ＧＵ０ Ｌｉ。ＹＡＮ Ｂｏ．ＳＨＥＮ Ｙａｎ
③访问控制机制实现：部署在信息处理中心和互联网之间 的安全数据网关，能有效地实现信息资源的访问控制。首先， 只有与信息处理中心通过了身份认证的合法终端实体的消息， 才能进出安全数据网关。其次．安全数据网关对进出的消息进 行检查过滤，拒绝可能携带病毒、木马和恶意代码的有害信息 传输。最后。安全数据网关还要对访问资源的请求进行访问控 制决策，阻断非授权用户对资源的非法访问。