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1 密 码 学 报 ISSN CN /TN Journal of Cryptologic Research,2015,2(1): 密 码 学 报 编 辑 部 版 权 所 有. Tel/Fax: 物 联 网 安 全 关 键 技 术 与 挑 战 * 武 传 坤 中 国 科 学 院 信 息 工 程 研 究 所 信 息 安 全 国 家 重 点 实 验 室, 北 京 通 讯 作 者 : 武 传 坤, ckwu@iie.ac.cn 摘 要 : 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 和 技 术 的 又 一 次 飞 跃. 物 联 网 的 发 展 非 常 迅 速, 市 场 潜 力 巨 大. 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 技 术 之 一, 必 须 引 起 高 度 重 视. 本 文 首 先 分 析 了 物 联 网 安 全 研 究 的 背 景 和 意 义, 介 绍 了 国 内 外 在 物 联 网 方 面 的 发 展 情 况 和 重 视 程 度, 阐 述 了 国 内 的 技 术 短 板, 国 家 对 物 联 网 技 术 和 产 业 的 支 持 等 情 况, 然 后 基 于 大 家 熟 知 的 物 联 网 三 层 逻 辑 架 构, 分 析 了 物 联 网 的 安 全 架 构, 并 侧 重 感 知 层 安 全 和 应 用 层 安 全, 分 析 了 需 要 研 究 的 一 些 研 究 方 向 和 关 键 技 术, 并 对 这 些 技 术 的 本 质 关 键 问 题 进 行 了 分 析. 在 物 联 网 的 感 知 层, 本 文 指 出 轻 量 级 安 全 是 其 需 求 特 点, 也 是 最 主 要 的 技 术 挑 战, 轻 量 级 安 全 技 术 包 括 轻 量 级 密 码 算 法 和 轻 量 级 安 全 协 议. 在 物 联 网 的 应 用 层, 本 文 指 出 隐 私 保 护 移 动 终 端 设 备 安 全 物 联 网 安 全 基 础 设 施 和 物 联 网 安 全 测 评 体 系 是 关 键 技 术. 对 物 联 网 传 输 层 安 全 和 处 理 层 安 全 的 关 键 技 术, 本 文 将 其 分 别 归 为 网 络 安 全 和 云 计 算 安 全 领 域, 不 属 于 物 联 网 专 有 的 安 全 技 术, 从 而 未 作 深 入 探 讨. 关 键 词 : 物 联 网 ; 安 全 架 构 ; 信 息 安 全 中 图 法 分 类 号 : TP309.7 文 献 标 识 码 : A DOI: /j.cnki.jcr 中 文 引 用 格 式 : 武 传 坤. 物 联 网 安 全 关 键 技 术 与 挑 战 [J]. 密 码 学 报, 2015, 2(1): 英 文 引 用 格 式 : Wu C K. An overview on the security techniques and challenges of the Internet of things[j]. Journal of Cryptologic Research, 2015, 2(1): An Overview on the Security Techniques and Challenges of the Internet of Things WU Chuan-Kun State Key Laboratory of Information Security, Institute of Information Engineering, Chinese Academy of Sciences Institute of Software Chinese Academy of Sciences, Beijing , China Corresponding author: WU Chuan-Kun, ckwu@iie.ac.cn Abstract: Internet of Things (IOT) is the outcome of the development of information technology, and is a new scientific, technological, and economical wave of worldwide information technology enterprises. In the meantime, the information security of the IOT is one of the core technologies that will influence the long-term development of the IOT, and much attention should be paid on it. This paper first analyses the background and significance of the security research in IOT, introduces the national development and level of recognition of IOT, analyses the technical shortages we are facing at, and describes the government support to the IOT technology and industry. 基 金 项 目 : 中 国 科 学 院 先 导 专 项 子 课 题 海 云 信 息 安 全 体 系 研 究 (XDA ); 中 科 院 信 息 工 程 所 密 码 专 向 基 金 项 目 面 向 物 联 网 终 端 的 轻 量 级 安 全 认 证 协 议 (Y4Z ) 收 稿 日 期 : 定 稿 日 期 :

2 武 传 坤 : 物 联 网 安 全 关 键 技 术 与 挑 战 41 Then based on the well-known three-layer architecture of IOT, presents a security architecture of IOT, and by focusing on the sensor layer security and application layer security, this paper analyses some research directions and key techniques that need to be further studied, and indicates the essence and key problems of these techniques. This paper indicates that, in the sensor layer of IOT, lightweight security techniques, including lightweight cryptographic algorithms and lightweight security protocols, are what in practical need and are also the main technical challenges. In the application layer of IOT, privacy protection, mobile device security, IOT security infrastructure, as well as IOT security evaluation systems are the key techniques. With respect to the transmission layer security and processing layer security of IOT, this paper treats them as enhanced network security and cloud computing security respectively, and should not be treated as specific security techniques for IOT, hence they are not addressed in depth in this paper. Key words: Internet of things; security architecture; information security 1 引 言 物 联 网 是 建 立 在 互 联 网 基 础 上 的 泛 在 网 络 发 展 的 一 个 新 阶 段, 它 可 以 通 过 各 种 有 线 和 无 线 网 络 与 互 联 网 融 合, 综 合 应 用 海 量 的 传 感 器 智 能 处 理 终 端 全 球 定 位 系 统 等, 实 现 物 与 物 物 与 人 的 随 时 随 地 连 接, 实 现 智 能 管 理 和 控 制. 物 联 网 引 领 了 信 息 产 业 革 命 的 第 三 次 浪 潮, 将 成 为 未 来 社 会 经 济 发 展 社 会 进 步 和 科 技 创 新 的 最 重 要 的 基 础 设 施, 也 关 系 到 国 家 在 未 来 对 一 些 物 理 设 施 的 安 全 利 用 和 管 控. 在 信 息 技 术 第 一 次 浪 潮, 即 电 脑 时 代, 人 们 的 脑 力 劳 动 被 解 放 出 来, 那 时 我 们 国 家 的 技 术 水 平 远 远 落 后 于 欧 美 发 达 国 家 ; 在 信 息 技 术 的 第 二 次 浪 潮, 即 互 联 网 时 代, 信 息 的 异 地 共 享 成 为 可 能, 那 时 我 们 国 家 的 技 术 水 平 紧 跟 欧 美 发 达 国 家 ; 今 天 面 临 的 物 联 网 时 代, 将 虚 拟 空 间 与 现 实 物 理 空 间 相 结 合, 被 认 为 是 信 息 技 术 发 展 的 第 三 次 浪 潮, 我 们 国 家 站 在 与 欧 美 发 达 国 家 相 同 的 起 点, 只 有 奋 起 向 前, 才 能 站 在 世 界 前 列, 在 国 际 学 术 技 术 和 产 业 领 域 争 得 更 大 的 话 语 权 年 2 月 14 日, 工 业 和 信 息 化 部 发 布 了 物 联 网 十 二 五 发 展 规 划. 该 文 件 显 示, 我 国 物 联 网 在 安 防 电 力 交 通 物 流 医 疗 环 保 等 领 域 已 经 得 到 应 用. 易 观 国 际 数 据 表 明, 2010 年 物 联 网 在 安 防 交 通 电 力 和 物 流 领 域 的 市 场 规 模 分 别 为 600 亿 元 300 亿 元 280 亿 元 和 150 亿 元, 预 计 在 今 后 5 10 年 将 出 现 大 规 模 增 长. 虽 然 物 联 网 发 展 日 趋 迅 猛, 但 物 联 网 的 安 全 问 题 却 日 趋 突 出 ( 特 别 是 当 物 联 网 与 工 业 控 制 将 结 合 时 ). 一 个 典 型 的 案 例 是 震 网 病 毒 (Stuxnet), 它 是 第 一 个 专 门 攻 击 工 业 控 制 中 基 础 设 施 ( 如 发 电 站 和 工 厂 ) 的 病 毒, 震 网 病 毒 以 蠕 虫 的 形 式 在 互 联 网 扩 散, 并 重 点 扩 散 到 U 盘 上, 一 旦 移 动 介 质 放 入 到 工 业 控 制 网 中, 就 寻 找 西 门 子 的 WINCC 系 统 并 加 以 感 染, 一 旦 感 染, 就 可 以 在 PLC 管 理 员 没 有 察 觉 的 情 况 下, 修 改 发 送 至 PLC 或 从 PLC 返 回 的 数 据. 震 网 病 毒 攻 击 了 伊 朗 在 纳 坦 兹 的 浓 缩 铀 工 厂, 造 成 伊 朗 约 20% 的 离 心 机 (1000 多 台 ) 失 控 报 废, 导 致 发 电 计 划 推 迟 年 年 末 发 生 的 一 系 列 网 络 信 息 泄 露 事 件 表 明, 信 息 安 全 所 面 临 的 威 胁 比 我 们 许 多 人 想 象 的 要 严 重 得 多, 这 也 是 国 家 近 年 来 大 力 支 持 信 息 安 全 技 术 研 究 的 根 本 原 因. 对 物 联 网 市 场 飞 速 发 展 和 物 联 网 安 全 问 题 日 益 严 重 的 矛 盾, 物 联 网 安 全 将 会 面 临 哪 些 技 术 问 题 和 挑 战, 我 们 又 将 如 何 应 对 这 些 挑 战? 从 物 联 网 的 架 构 可 以 看 到, 典 型 的 物 联 网 系 统 包 括 感 知 层 传 输 层 和 处 理 应 用 层. 本 文 将 从 物 联 网 架 构 方 面 讨 论 物 联 网 安 全 的 关 键 技 术 和 挑 战. 2 物 联 网 安 全 的 研 究 背 景 及 意 义 物 联 网 产 业 是 融 合 了 现 有 信 息 化 技 术 广 泛 应 用 技 术, 需 要 更 多 的 产 学 研 机 构 参 与. 同 时, 物 联 网 产 业 的 发 展 主 要 是 以 应 用 来 推 动 的, 需 要 发 挥 政 府 各 个 部 门 的 积 极 性, 明 确 产 业 方 向, 引 导 市 场 需 求, 并 从 政 策 上 给 予 扶 持, 鼓 励 各 种 类 型 的 企 业 积 极 投 入 研 发 生 产 和 运 营. 我 国 政 府 一 直 高 度 重 视 信 息 化 建 设, 很 早 就 提 出 以 信 息 化 带 动 工 业 化, 通 过 全 面 提 高 我 国 信 息 化 水

3 42 Journal of Cryptologic Research 密 码 学 报 Vol.2, No.1, Feb 平, 实 现 产 业 升 级 和 经 济 增 长 方 式 转 变. 早 在 国 家 十 一 五 规 划 中, 就 已 经 对 宽 带 无 线 通 信 网 络 传 感 网 编 码 中 等 物 联 网 涵 盖 的 一 些 问 题 做 了 相 关 部 署. 近 年 来, 党 和 国 家 领 导 人 更 充 分 认 识 到 以 物 联 网 为 主 要 内 容 的 新 一 次 信 息 化 浪 潮 的 迅 猛 发 展, 适 时 果 断 提 出 要 加 快 发 展 我 国 物 联 网 产 业 发 展, 相 关 政 府 部 门 对 有 关 问 题 迅 速 做 出 部 署 年 8 月 7 日, 国 务 院 总 理 温 家 宝 在 无 锡 视 察 中 科 院 物 联 网 技 术 研 发 中 心 时 指 出, 要 尽 快 突 破 核 心 技 术, 将 物 联 网 产 业 发 展 上 升 到 战 略 性 新 兴 产 业 的 高 度 年 9 月 11 日, 中 国 传 感 网 标 准 工 作 组 正 式 成 立, 该 工 作 组 将 聚 集 国 内 物 联 网 主 要 技 术 力 量, 制 定 国 家 标 准, 积 极 参 与 国 际 标 准 提 案 工 作, 促 进 国 内 外 物 联 网 业 界 同 行 的 交 流 和 合 作, 通 过 标 准 为 产 业 发 展 奠 定 坚 实 基 础, 提 升 中 国 在 物 联 网 领 域 的 国 际 竞 争 力. 11 月 3 日, 国 务 院 指 出 要 着 力 突 破 传 感 网 物 联 网 关 键 技 术. 随 后 在 12 月 11 日, 工 信 部 开 始 统 筹 部 署 宽 带 普 及 三 网 融 合 物 联 网 及 下 一 代 互 联 网 发 展, 将 加 快 培 育 物 联 网 产 业 列 为 我 国 信 息 产 业 发 展 的 三 大 重 要 目 标, 制 定 技 术 产 业 发 展 规 划 和 应 用 推 进 计 划, 推 动 发 展 关 键 传 感 器 件 装 备 系 统 及 服 务 年 11 月 28 日, 工 业 和 信 息 化 部 发 布 了 物 联 网 十 二 五 发 展 规 划, 进 一 步 明 确 了 国 家 在 十 二 五 期 间 在 物 联 网 方 面 的 发 展 目 标. 规 划 指 出, 要 大 力 攻 克 核 心 技 术, 加 快 构 建 标 准 体 系, 协 调 推 进 产 业 发 展, 着 力 培 育 骨 干 企 业, 积 极 开 展 应 用 示 范, 合 理 规 划 区 域 布 局, 加 强 信 息 安 全 保 障, 提 升 公 共 服 务 能 力. 需 要 说 明 的 是, 规 划 将 信 息 安 全 保 障 作 为 一 个 专 门 任 务 予 以 重 视, 其 内 容 包 括 加 强 物 联 网 安 全 技 术 研 发, 建 立 并 完 善 物 联 网 安 全 保 障 体 系, 加 强 网 络 基 础 设 施 安 全 防 护 建 设 年 9 月, 国 家 发 展 改 革 委 工 业 和 信 息 化 部 等 10 多 个 部 门, 以 物 联 网 发 展 部 际 联 席 会 议 的 名 义 印 发 了 顶 层 设 计 标 准 制 定 技 术 研 发 应 用 推 广 产 业 支 撑 商 业 模 式 安 全 保 障 政 府 扶 持 措 施 法 律 法 规 保 障 人 才 培 养 十 个 物 联 网 发 展 专 项 行 动 计 划, 为 后 续 有 计 划 有 进 度 有 分 工 地 落 实 相 关 工 作, 切 实 促 进 物 联 网 健 康 发 展 明 确 了 方 向 目 标 和 具 体 举 措. 各 部 委 也 积 极 响 应 国 家 号 召, 制 定 相 关 政 策 积 极 推 动 物 联 网 发 展, 通 过 设 立 专 项 资 金, 为 物 联 网 应 用 示 范 工 程 技 术 研 发 与 产 业 化 项 目 提 供 大 力 支 持. 发 改 委 自 2011 年 起 先 后 启 动 了 28 项 国 家 物 联 网 重 大 应 用 示 范 工 程, 2013 年 10 月 份 又 发 布 了 国 家 发 展 改 革 委 办 公 厅 关 于 组 织 开 展 年 国 家 物 联 网 重 大 应 用 示 范 工 程 区 域 试 点 工 作 的 通 知. 财 政 部 会 同 工 业 和 信 息 化 部 设 立 了 物 联 网 发 展 专 项 资 金, 自 2011 年 起 累 计 安 排 物 联 网 专 项 资 金 15 亿 元, 陆 续 支 持 了 500 多 个 研 发 项 目, 重 点 对 企 业 为 主 体 的 物 联 网 技 术 研 发 和 产 业 化 项 目 进 行 扶 持. 科 技 部 支 持 组 建 了 物 联 网 产 业 技 术 创 新 战 略 联 盟. 国 家 标 准 委 联 合 国 家 发 展 改 革 委 支 持 成 立 了 物 联 网 国 家 标 准 基 础 工 作 组 和 5 个 行 业 应 用 标 准 工 作 组. 公 安 部 农 业 部 等 部 门 和 部 分 中 央 企 业 实 施 了 一 批 重 大 应 用 示 范 工 程. 多 个 地 方 政 府 加 大 投 入 力 度, 出 台 地 方 规 划 和 行 动 方 案, 建 立 协 同 推 进 机 制, 积 极 推 广 物 联 网 应 用, 取 得 了 积 极 成 效. 在 中 央 政 府 和 各 部 门 的 大 力 推 动 下, 各 地 方 政 府 积 极 响 应. 无 锡 北 京 上 海 深 圳 杭 州 南 京 广 州 等 东 部 沿 海 城 市 纷 纷 开 始 规 划 自 己 的 物 联 网 城 市 蓝 图, 正 在 制 定 或 者 已 经 制 定 了 产 业 发 展 的 推 动 策 略 和 规 划, 大 力 推 进 物 联 网 产 业 发 展. 其 中, 上 海 较 早 在 全 国 成 立 了 RFID 与 物 联 网 产 业 联 盟, 目 前 上 海 正 在 着 手 物 联 网 产 业 发 展 规 划 制 定 工 作, 初 步 选 定 交 通 安 防 农 业 医 疗 卫 生 商 贸 物 流 环 保 电 网 等 八 大 行 业 开 展 示 范 应 用, 以 产 业 园 区 和 社 区 应 用 为 载 体, 分 阶 段 分 领 域 推 进 物 联 网 产 业 发 展 ; 北 京 提 出 以 传 感 器 传 输 网 络 集 成 服 务 三 大 领 域 为 核 心, 成 为 产 业 链 和 产 业 支 持, 并 以 应 用 为 先 导, 推 动 物 联 网 在 政 府 社 会 和 企 业 三 大 领 域 的 应 用, 打 造 感 知 北 京, 通 过 物 联 网 的 逐 步 实 现 与 完 善, 推 进 无 线 城 市 向 智 慧 北 京 的 演 进, 打 造 以 首 都 为 核 心 得 物 联 网 中 心, 辐 射 全 国, 逐 渐 形 成 系 统 化, 规 模 化 和 产 业 化, 并 成 立 了 物 联 网 产 业 联 盟, 促 进 物 联 网 协 同 创 新 和 应 用 ; 江 苏 省 已 将 物 联 网 列 为 六 大 新 兴 产 业 之 一, 并 在 无 锡 成 立 了 物 联 网 国 家 示 范 区 和 技 术 研 发 中 心, 旨 在 统 一 打 造 物 联 网 技 术 研 发 项 目 孵 化 产 业 化 及 商 业 应 用 的 完 整 产 业 链, 促 进 物 联 网 技 术 研 发 和 产 业 化 进 程, 加 快 将 无 锡 建 成 国 内 首 个 感 知 城 市, 将 江 苏 建 成 国 内 首 个 智 慧 之 省 ; 深 圳 也 在 着 手 物 联 网 产 业 相 关 研 究 和 规 划, 打 造 智 慧 深 圳. 尽 管 从 整 体 水 平 看, 中 西 部 地 区 由 于 信 息 产 业 基 础 条 件 薄 弱, 物 联 网 发 展 相 对 落 后, 但 以 重 庆 为 代 表 的 中 西 部 城 市 也 在 积 极 打 造 物 联 网.

4 武 传 坤 : 物 联 网 安 全 关 键 技 术 与 挑 战 43 在 温 总 理 提 出 感 知 中 国 后, 各 级 政 府 在 抓 紧 推 动 在 政 府 管 理 社 会 服 务 和 企 业 应 用 等 领 域 的 示 范 工 程 年 工 业 和 信 息 化 部 信 息 化 推 进 司 就 重 点 推 进 了 基 于 TD 的 电 梯 监 控 车 辆 监 控 和 企 业 安 全 监 控 等 M2M 试 点 应 用. 从 各 地 情 况 看, 智 能 交 通 智 能 电 网 智 能 物 流 智 能 安 防 智 能 物 流 环 境 监 测 等 领 域 的 示 范 应 用 在 北 京 上 海 江 苏 浙 江 广 东 等 省 市 已 初 步 展 开 年, 围 绕 科 技 奥 运, 中 关 村 下 一 代 互 联 网 产 业 联 盟 及 相 关 企 业 在 全 球 首 次 实 现 将 物 联 网 和 IPv6 技 术 全 面 服 务 于 奥 运 会, 城 市 网 格 管 理 视 频 监 控 智 能 交 通 食 品 溯 源 水 质 检 测 IPV6 奥 运 网 站 等 方 面 的 成 功 运 用 在 国 内 外 产 生 重 大 影 响 ; 上 海 已 经 在 世 博 会 和 浦 东 机 场 布 置 防 入 侵 传 感 网, 成 为 国 际 上 规 模 较 大 的 物 联 网 应 用 系 统, 世 博 园 还 在 新 能 源 接 入 储 能 电 动 汽 车 充 放 电, 以 及 智 能 小 区 等 方 面 建 立 了 综 合 示 范 工 程 ; 无 锡 除 了 已 将 传 感 技 术 应 用 在 太 湖 水 质 监 测 系 统 中, 还 将 在 新 区 的 太 科 园 建 一 个 传 感 网 应 用 体 验 式 主 题 公 园, 并 启 动 建 设 无 锡 机 场 防 入 侵 传 感 网 络 系 统 机 场 安 检 市 民 中 心 新 区 综 合 保 税 区 的 应 用 示 范 工 程, 物 联 网 技 术 的 市 场 化 应 用 明 显 加 快 ; 浙 江 嘉 兴 已 正 在 试 点 智 能 传 感 网 车 辆 管 理 系 统, 主 要 用 于 交 通 控 制 ; 宁 波 港 也 积 极 开 展 物 联 网 相 关 应 用, 如 给 进 港 汽 车 贴 上 电 子 车 牌 在 港 口 和 车 辆 上 布 置 传 感 器, 以 实 现 智 慧 物 流. 物 联 网 系 统 在 建 设 初 期, 由 于 规 模 有 限, 各 个 物 联 网 示 范 区 之 间 相 对 独 立, 还 不 能 构 成 真 正 意 义 的 互 联 互 通, 因 此 面 临 的 信 息 安 全 威 胁 也 小. 随 着 物 联 网 系 统 数 量 的 增 多 和 规 模 的 增 大, 特 别 是 随 着 这 些 物 联 网 应 用 系 统 的 互 联 互 通, 以 及 服 务 于 这 些 系 统 的 数 据 处 理 平 台 的 集 中 管 理, 物 联 网 安 全 问 题 将 逐 渐 显 现, 而 且 会 以 雪 崩 效 应 影 响 到 物 联 网 行 业, 到 时 候 亡 羊 补 牢 将 为 时 太 晚, 甚 至 无 法 弥 补, 就 像 今 天 我 们 的 工 业 控 制 系 统 在 应 对 信 息 安 全 问 题 方 面 的 无 助 局 面. 3 国 际 研 究 现 状 及 发 展 趋 势 物 联 网 的 概 念 的 提 出 有 多 种 途 径, 但 最 早 以 物 联 网 为 题 的 年 度 报 告 是 ITU2005 年 的 年 度 报 告 [1]. 物 联 网 的 概 念 提 出 之 后, 很 多 学 术 研 究 也 很 快 在 该 领 域 开 展, 仅 在 2008 年, 就 出 现 了 物 联 网 专 题 国 际 学 术 会 议 [2] [3] [4] 专 著 和 系 列 研 究 论 文 等. 随 着 信 息 技 术 日 新 月 异, 特 别 是 信 息 采 集 传 输 技 术 及 高 性 能 计 算 机 的 迅 速 发 展 和 互 联 网 与 移 动 通 信 网 的 广 泛 应 用, 大 规 模 发 展 传 感 网 及 相 关 产 业 的 时 机 日 趋 成 熟, 欧 美 等 发 达 国 家 将 物 联 网 视 为 未 来 发 展 的 重 要 领 域 年 以 来, 美 欧 日 等 发 达 国 家 纷 纷 提 出 物 联 网 发 展 的 战 略 规 划 核 心 技 术 及 产 业 重 点, 促 进 物 联 网 产 业 迅 速 发 展, 以 在 新 一 轮 的 信 息 化 浪 潮 中 占 得 先 机 年, 美 国 提 出 智 慧 地 球 的 概 念, 随 后 在 2009 年, 欧 盟 提 出 了 物 联 网 行 动 计 划, 日 本 提 出 i-japan 计 划, 韩 国 在 u-korea 战 略 的 基 础 上, 提 出 了 物 联 网 基 础 设 施 构 建 基 本 规 划. 不 难 看 出, 许 多 国 家 在 物 联 网 领 域 的 投 入 和 重 视 程 度 都 是 很 大 的. 在 物 联 网 安 全 相 关 方 面, 也 有 很 多 相 关 的 研 究 成 果. 但 由 于 物 联 网 在 架 构 上 是 一 个 新 的 信 息 技 术 模 式, 物 联 网 安 全 技 术 在 产 业 方 面 的 应 用 还 很 不 够. 我 们 首 先 从 不 同 侧 面 了 解 一 下 国 际 学 术 研 究 进 展 情 况. (1) 物 联 网 安 全 体 系 方 面 物 联 网 将 经 济 社 会 活 动 战 略 性 基 础 设 施 资 源 和 人 们 的 日 常 生 活 全 面 架 构 在 全 球 互 联 互 通 的 网 络 上, 所 有 活 动 和 设 施 理 论 上 透 明 化, 一 旦 遭 受 攻 击, 安 全 和 隐 私 将 面 临 巨 大 威 胁, 甚 至 可 能 引 发 电 网 瘫 痪 交 通 失 控 工 厂 停 产 等 一 系 列 恶 性 后 果. 因 此 实 现 信 息 安 全 和 网 络 安 全 是 物 联 网 大 规 模 应 用 的 必 要 条 件, 也 是 物 联 网 应 用 系 统 成 熟 的 重 要 标 志. 物 联 网 的 安 全 形 态 主 要 体 现 在 其 体 系 结 构 的 各 个 要 素 上. 第 一 是 物 理 安 全, 主 要 是 传 感 器 的 安 全, 包 括 对 传 感 器 的 干 扰 屏 蔽 信 号 截 获 等, 是 物 联 网 安 全 特 殊 性 的 体 现 ; 第 二 是 运 行 安 全, 存 在 于 各 个 要 素 中, 涉 及 到 传 感 器 传 输 系 统 及 处 理 系 统 的 正 常 运 行, 与 传 统 信 息 系 统 安 全 基 本 相 同 ; 第 三 是 数 据 安 全, 也 是 存 在 于 各 个 要 素 中, 要 求 在 传 感 器 传 输 系 统 处 理 系 统 中 的 信 息 不 会 出 现 被 窃 取 被 篡 改 被 伪 造 被 抵 赖 等 性 质. 其 中 传 感 器 与 传 感 网 所 面 临 的 安 全 问 题 比 传 统 的 信 息 安 全 更 为 复 杂, 因 为 传 感 器 与 传 感 网 可 能 会 因 为 能 量 受 限 的 问 题 而 不 能 运 行 过 于 复 杂 的 保 护 体 系. 因 此, 物 联 网 除 面 临 一 般 信 息 网 络 所 具 有 的

5 44 Journal of Cryptologic Research 密 码 学 报 Vol.2, No.1, Feb 安 全 问 题 外, 还 面 临 物 联 网 特 有 的 威 胁 和 攻 击, 相 关 威 胁 如 下 : 物 理 俘 获 传 输 威 胁 自 私 性 威 胁 拒 绝 服 务 威 胁 感 知 数 据 威 胁 ; 相 关 攻 击 包 括 : 阻 塞 干 扰 碰 撞 攻 击 耗 尽 攻 击 非 公 平 攻 击 选 择 转 发 攻 击 陷 洞 攻 击 女 巫 攻 击 洪 泛 攻 击 信 息 篡 改 等. 相 关 安 全 对 策 包 括 : 加 密 机 制 和 密 钥 管 理 感 知 层 鉴 别 机 制 安 全 路 由 机 制 访 问 控 制 机 制 安 全 数 据 融 合 机 制 容 侵 容 错 机 制. 由 上 可 知, 虽 然 一 些 工 作 对 物 联 网 的 特 点 相 关 威 胁 与 攻 击 进 行 了 分 类, 但 是 目 前 还 没 有 支 持 形 式 验 证 的 物 联 网 安 全 体 系 构 架, 显 然 支 持 形 式 验 证 安 全 构 架 是 保 障 安 全 的 重 要 基 础. 国 际 上, 意 大 利 Sapienza 大 学 的 C.M. Medaglia 和 A. Serbanati 在 文 献 [5] 中 指 出 物 联 网 在 用 户 隐 私 和 信 息 安 全 传 输 机 制 中 存 在 诸 多 不 足 : 如 标 签 被 嵌 入 任 何 物 品, 用 户 在 没 有 察 觉 的 情 况 下 其 标 签 被 阅 读 器 扫 描, 通 过 对 物 品 的 定 位 可 追 踪 用 户 的 行 踪, 使 个 人 隐 私 遭 到 破 坏 ; 物 品 的 详 细 信 息 在 传 输 过 程 中 易 受 流 量 分 析 窃 取 嗅 探 等 网 络 攻 击, 导 致 物 品 信 息 的 泄 漏. 瑞 士 苏 黎 世 大 学 的 R. H. Weber [6] 指 出 物 联 网 安 全 体 系 不 仅 要 满 足 抵 抗 攻 击, 数 据 认 证, 访 问 控 制 及 用 户 隐 私 等 要 求, 而 且 需 针 对 物 联 网 感 知 节 点 易 遭 攻 击 计 算 资 源 受 限 导 致 无 法 利 用 高 复 杂 度 的 加 解 密 算 法 保 证 自 身 安 全 等 物 联 网 安 全 所 面 临 的 特 殊 问 题 展 开 研 究, 并 指 出 应 该 从 容 忍 攻 击 方 面 进 行 研 究, 以 应 对 单 点 故 障 数 据 认 证 访 问 控 制 和 客 户 端 的 隐 私 保 护 等 问 题, 建 议 对 企 业 进 行 必 要 的 风 险 评 估 与 风 险 管 理. 英 国 Newcastle 大 学 的 Leusse 中 提 出 了 一 种 面 向 服 务 思 想 的 安 全 架 构 [7], 利 用 Identity Brokerage Usage&Access Management SOA (Service-Oriented Architecture) Security Analysis SOA Security Autonomics 等 模 块 来 构 建 一 个 具 有 自 组 织 能 力 的 安 全 物 联 网 模 型. 瑞 士 苏 黎 世 大 学 的 Mattern 团 队 指 出 了 从 传 统 的 互 联 网 到 物 联 网 的 转 变 过 程 中 可 能 会 面 临 的 一 系 列 安 全 问 题 [8], 尤 其 强 调 了 资 源 访 问 控 制 问 题. 德 国 Albert-Ludwigs 大 学 的 C. Struker 提 出 利 用 口 令 管 理 机 制 来 降 低 物 联 网 中 感 知 节 点 ( 如 RFID 设 备 ) 遭 受 攻 击 和 破 坏 等 威 胁 的 思 想 [9], 并 提 出 了 RFID 网 路 中 的 两 种 口 令 生 成 方 法, 以 防 止 非 法 用 户 肆 意 利 用 RFID 的 kill 标 签 来 扰 乱 感 知 节 点 正 常 工 作. 德 国 Humbold 大 学 的 Fabian 团 队 提 出 EPC 网 络 所 面 临 的 一 系 列 的 安 全 挑 战, 对 比 了 VPN(virtual private networks) TLS( transport layer security) DNSSEC(DNS security extensions) Private Information Retrieval Peer-to-Peer Systems 等 应 对 措 施 的 优 缺 点 和 有 效 性 [10]. 在 RFID 和 无 线 传 感 网 (wireless sensor networks, WSN) 等 物 联 网 相 关 领 域, 人 们 也 进 行 了 大 量 的 研 究 工 作. 美 国 丹 佛 大 学 的 Ken Traub 等 多 人 在 中 基 于 RFID 和 物 联 网 技 术 提 出 了 全 球 物 联 网 体 系 架 构 [11], 并 结 合 该 架 构 给 出 了 物 联 网 信 息 服 务 系 统 的 设 计 方 案, 为 实 现 物 联 网 安 全 架 构 信 息 服 务 系 统 和 物 联 网 安 全 管 理 协 议 提 供 了 参 考. 在 无 线 传 感 器 认 证 领 域 中, R. Watro 等 人 首 次 提 出 了 基 于 低 指 数 级 RSA 的 TinyPK 实 体 认 证 方 案 [12], 并 采 用 分 级 的 思 想 来 执 行 认 证 的 不 同 操 作 部 分. TinyPK 较 方 便 地 实 现 了 WSN 的 实 体 认 证, 但 单 一 的 节 点 是 比 较 容 易 被 捕 获 的, 在 TinyPK 中, 如 果 某 个 认 证 节 点 被 捕 获 了, 那 么 整 个 网 络 都 将 变 得 不 安 全, 因 为 任 意 的 敌 对 第 三 方 都 可 以 通 过 这 个 被 捕 获 的 节 点 获 得 合 法 身 份 进 入 WSN. Z. Benenson 等 人 提 出 的 强 用 户 认 证 [13] 协 议 可 以 在 一 定 程 度 上 解 决 这 个 问 题. 相 对 于 TinyPK, 强 用 户 认 证 协 议 有 两 点 改 进 : (1) 公 钥 算 法 不 是 采 用 RSA, 而 是 采 用 密 钥 长 度 更 短 却 具 有 同 等 安 全 强 度 的 椭 圆 曲 线 加 密 算 法 (ECC); (2) 认 证 方 式 不 是 采 用 传 统 的 单 一 认 证, 而 是 采 用 n 认 证. 这 个 强 用 户 认 证 协 议 安 全 强 度 较 高, 不 过 其 缺 点 则 主 要 体 现 在 对 节 点 能 量 的 消 耗 过 大. K. Bauer 提 出 了 一 种 分 布 式 认 证 协 议 [14], 采 用 的 是 秘 密 共 享 和 组 群 同 意 的 密 码 学 概 念. 网 络 由 多 个 子 群 组 成, 每 个 子 群 配 备 一 个 基 站, 子 群 间 通 信 通 过 基 站 进 行. 该 方 案 的 优 点 是 在 认 证 过 程 中 没 有 采 用 任 何 高 消 耗 的 加 / 解 密 方 案, 而 是 采 用 秘 密 共 享 和 组 群 同 意 的 方 式, 容 错 性 好, 认 证 强 度 和 计 算 效 率 高 ; 缺 点 是 认 证 时 子 群 内 所 有 节 点 均 要 协 同 通 信, 在 发 送 判 定 包 时 容 易 造 成 信 息 碰 撞. 由 于 低 成 本 的 RFID 标 签 仅 有 非 常 有 限 的 计 算 能 力, 所 以 现 有 的 应 用 广 泛 的 安 全 策 略 无 法 在 其 上 实 现. 西 班 牙 的 P. P. Lopez 等 在 文 献 [15] 中 提 出 了 一 种 轻 量 级 的 互 认 证 协 议, 可 以 提 供 合 适 的 安 全 级 别 并 能 够 应 用 在 大 部 分 资 源 受 限 的 RFID 系 统 上.

6 武 传 坤 : 物 联 网 安 全 关 键 技 术 与 挑 战 45 国 内 物 联 网 已 经 取 得 了 较 快 的 发 展, 但 其 安 全 领 域 的 研 究 目 前 还 处 于 起 步 阶 段. 方 滨 兴 院 士 指 出 物 联 网 的 安 全 与 传 统 互 联 网 的 安 全 有 一 定 的 异 同 [16]. 物 联 网 的 保 护 要 素 仍 然 是 可 用 性 机 密 性 可 鉴 别 性 与 可 控 性. 从 物 联 网 的 三 个 构 成 要 素 来 看, 物 联 网 的 安 全 体 现 在 传 感 器 传 输 系 统 以 及 处 理 系 统 之 中, 特 别 的, 就 物 理 安 全 而 言, 主 要 表 现 在 传 感 器 的 安 全 方 面, 包 括 对 传 感 器 的 干 扰 屏 蔽 信 号 截 获 等, 这 是 物 联 网 的 特 殊 所 在 ; 至 于 传 输 系 统 与 处 理 系 统 中 的 信 息 安 全 则 更 为 复 杂, 因 为 传 感 器 与 传 感 网 可 能 会 因 为 能 量 受 限 的 问 题 而 不 能 运 行 过 于 复 杂 的 保 护 体 系. 作 者 也 曾 从 感 知 层 传 输 层 处 理 层 和 应 用 层 等 各 个 层 次 分 析 了 物 联 网 的 安 全 需 求 [17], 初 步 搭 建 了 物 联 网 的 安 全 架 构 体 系, 该 文 特 别 指 出 : 已 有 的 对 传 感 网 互 联 网 移 动 网 等 的 安 全 解 决 方 案 在 物 联 网 环 境 中 不 再 适 用, 物 联 网 这 样 大 规 模 的 系 统 在 系 统 整 合 中 会 带 来 新 的 安 全 问 题. 除 此 之 外, 还 有 许 多 关 于 物 联 网 安 全 体 系 架 构 方 面 的 研 究, 分 别 从 不 同 角 度 阐 述 了 物 联 网 作 为 一 个 大 系 统 的 安 全 问 题, 各 种 架 构 之 间 在 内 涵 上 基 本 一 致, 但 在 层 次 划 分 的 边 界 方 面 有 所 不 同. (2) 物 联 网 感 知 层 的 轻 量 级 加 密 认 证 技 术 方 面 随 着 便 携 式 电 子 设 备 的 普 及 和 RFID 无 线 传 感 器 网 络 等 技 术 的 发 展, 越 来 越 多 的 应 用 需 要 解 决 相 应 的 安 全 问 题. 然 而, 相 比 于 传 统 的 台 式 机 和 高 性 能 计 算 机, 这 些 设 备 的 资 源 环 境 通 常 有 限, 比 如, 计 算 能 力 较 弱 计 算 可 使 用 的 存 储 较 少 能 耗 有 限, 等 等. 而 传 统 密 码 算 法 无 法 很 好 的 适 用 这 种 环 境, 这 就 使 得 受 限 环 境 中 密 码 算 法 的 研 究 成 为 一 个 迫 切 需 要 解 决 的 热 点 问 题. 适 宜 资 源 受 限 环 境 使 用 的 密 码 算 法 就 称 为 轻 量 级 密 码. 轻 量 级 密 码 算 法 与 经 典 密 码 算 法 相 互 影 响 互 相 促 进. 经 典 密 码 算 法 为 轻 量 级 密 码 算 法 的 设 计 与 安 全 性 分 析 提 供 理 论 支 撑 和 技 术 指 导 ; 另 一 方 面, 轻 量 级 密 码 轻 量 级 的 特 点, 将 使 得 一 些 安 全 性 分 析 能 够 更 加 全 面 深 入 展 开, 这 个 过 程 中 可 能 会 衍 生 出 新 问 题, 从 而 进 一 步 带 动 和 促 进 密 码 算 法 安 全 性 分 析 的 进 展. 源 于 应 用 的 推 动, 近 几 年 轻 量 级 密 码 的 研 究 非 常 热. 比 利 时 鲁 汶 大 学 的 COSIC 实 验 室 法 国 国 立 计 算 机 及 自 动 化 研 究 院 INRIA 瑞 士 皇 家 科 技 学 院 EPFL 中 心 等 国 际 上 著 名 的 密 码 学 实 验 室, 相 继 展 开 了 轻 量 级 密 码 的 研 究. 欧 洲 的 ECRYPT II 项 目 专 门 设 置 了 轻 量 级 密 码 研 究 专 题, 轻 量 级 密 码 逐 步 走 向 实 用 阶 段. 轻 量 级 密 码 算 法 设 计 的 关 键 问 题 是 处 理 安 全 性 实 现 代 价 和 性 能 之 间 的 权 衡. 部 分 学 者 针 对 已 有 的 标 准 分 组 密 码 算 法 如 AES 和 IDEA 等, 进 行 高 度 优 化 并 面 向 硬 件 平 台 尝 试 简 洁 实 现, 期 待 将 实 现 资 源 降 低 到 RFID 所 允 许 范 围 之 内, 但 是 效 果 并 不 理 想. 另 外, 还 有 对 经 典 算 法 稍 作 修 改, 使 其 符 合 轻 量 级 环 境 使 用, 如 在 DES 基 础 上 对 S 盒 加 以 改 进 产 生 DESL 算 法. 还 有 就 是 面 向 专 门 为 低 资 源 环 境 设 计 的 分 组 密 码 算 法, 如 HIGHT mcrypton TEA PRESENT KATAN KTANTAN 和 PRINT 等. PRESENT [18] 分 组 密 码 最 早 发 布 于 CHES2007, Clefia [19] 分 组 密 码 最 早 发 布 于 FSE2007, 这 两 个 密 码 算 法 目 前 已 成 为 ISO/IEC 的 轻 量 级 分 组 密 码 [20] [21] ; DES 类 轻 量 级 密 码 最 早 公 布 于 2007, 它 是 在 DES 的 基 础 上 进 行 轻 量 化 的 设 计 ; KATAN&KTANTAN [22] 是 一 族 轻 量 级 密 码, 基 于 流 密 码 算 法 Trivium 设 计 ; LBlock [23] 是 我 国 的 吴 文 玲 和 张 蕾 设 计, 发 表 于 ACNS2011. 然 而, 有 很 多 轻 量 级 密 码 算 法, 还 缺 乏 对 它 们 全 面 深 入 的 安 全 性 分 析, 比 如, Katan/Ktantan 密 码 在 发 表 后 不 到 两 年 的 时 间 后 就 被 破 译 ; 此 外, 还 有 一 些 轻 量 级 密 码 算 法, 其 整 体 结 构 和 算 法 模 块 的 设 计 还 有 进 一 步 轻 量 化 的 余 地. 认 证 技 术 通 过 服 务 基 础 设 施 的 形 式 将 用 户 身 份 管 理 与 设 备 身 份 管 理 关 联 起 来, 实 现 物 联 网 中 所 有 接 入 设 备 和 人 员 的 数 字 身 份 管 理 授 权 责 任 追 踪, 以 及 传 输 消 息 的 完 整 性 保 护, 这 是 整 个 网 络 的 安 全 核 心 和 命 脉. 在 RFID 无 线 传 感 器 网 络 等 应 用 环 境 中, 节 点 资 源 ( 包 括 存 储 容 量 计 算 能 力 通 信 带 宽 和 传 输 距 离 等 ) 受 到 比 传 统 网 络 更 加 严 格 的 限 制, 资 源 的 严 重 受 限 使 得 传 统 的 计 算 存 储 和 通 信 开 销 较 大 的 认 证 技 术 无 法 应 用, 因 此 轻 量 级 (lightweight) 认 证 技 术 成 为 该 领 域 研 究 的 热 点. 消 息 认 证 码 (message authentication code, MAC) 是 保 证 消 息 完 整 性 和 进 行 数 据 源 认 证 的 基 本 算 法, 它 将 密 钥 和 任 意 长 度 的 消 息 作 为 输 入, 输 出 一 个 固 定 长 度 的 标 签, 使 验 证 者 可 以 能 够 校 验 消 息 的 发 送 者 是 谁,

7 46 Journal of Cryptologic Research 密 码 学 报 Vol.2, No.1, Feb 以 及 消 息 传 输 过 程 中 是 否 被 篡 改. MAC 算 法 主 要 有 三 种 构 造 方 法, 分 别 基 于 分 组 密 码 杂 凑 函 数 或 者 泛 杂 凑 函 数 族. 为 实 现 安 全 和 效 率 的 平 衡, 近 几 年 出 现 了 几 种 基 于 分 组 密 码 的 MAC 设 计 新 结 构. 其 中, 以 基 于 约 减 轮 数 的 高 级 加 密 标 准 AES 为 代 表 年, AES 的 设 计 者 Daemen 和 Rijmen 提 出 ALRED 结 构 及 基 于 AES 和 缩 减 到 1 轮 AES 的 实 例 ALPHA-MAC [24], 随 后 又 以 AES 和 4 轮 AES 为 主 要 部 件 设 计 了 PELICAN 算 法 [25]. 由 于 杂 凑 函 数 的 普 遍 性 和 高 效 性, 用 杂 凑 函 数 设 计 消 息 认 证 码 的 方 法 也 得 到 了 广 泛 的 关 注 年, Preneel 等 学 者 基 于 MD 系 列 杂 凑 函 数 设 计 了 MDx-MAC [26]. 之 后, Bellare 等 学 者 提 出 NMAC 和 HMAC, 并 给 出 了 安 全 性 证 明 [27]. 近 年 来, 杂 凑 函 数 安 全 性 分 析 的 一 系 列 突 破 性 进 展 引 起 了 国 内 外 同 行 对 基 于 杂 凑 函 数 的 消 息 认 证 码 安 全 性 的 广 泛 关 注. 基 于 泛 杂 凑 函 数 族 的 消 息 认 证 码 的 设 计, 其 核 心 是 泛 杂 凑 函 数 族 的 设 计. 由 于 泛 杂 凑 函 数 族 是 满 足 一 定 性 质 的 组 合 结 构, 其 设 计 方 法 和 杂 凑 函 数 有 很 大 差 异, 但 在 速 度 上 有 很 大 优 势. 这 类 消 息 认 证 码 如 Poly1305-AES [28] 比 基 于 AES 的 CBC-MAC 和 基 于 SHA-1 的 HMAC 速 度 都 要 快, 但 是 这 类 方 法 的 缺 陷 是 对 密 钥 限 制 过 多 且 占 用 较 多 的 存 储. 基 于 口 令 的 认 证 密 钥 交 换 协 议 (PAKE) 以 其 方 便 易 用 的 独 特 优 势 而 得 到 广 泛 关 注. 由 于 通 信 双 方 共 享 的 秘 密 信 息 是 易 于 记 忆 的 低 熵 口 令, 这 类 协 议 在 实 际 中 得 到 广 泛 应 用. 第 一 个 PAKE 协 议 由 Bellovin 和 Merritt 提 出 [29], 这 一 工 作 成 为 该 领 域 很 多 研 究 的 基 础. 虽 然 PAKE 的 研 究 发 展 有 多 年 的 历 史, 但 PAKE 的 可 证 明 安 全 性 理 论 研 究 以 及 在 资 源 受 限 网 络 协 议 中 的 应 用 研 究 却 进 展 缓 慢, 主 要 原 因 在 于 设 计 从 弱 口 令 转 化 为 强 的 秘 密 信 息 的 机 制 是 困 难 的. LEAP 协 议 (lightweight extensible authentication protocol) [30] 是 由 Cisco 公 司 设 计 的 轻 量 级 认 证 协 议, 其 目 的 是 填 补 无 线 局 域 网 标 准 IEEE 中 的 WEP 协 议 密 钥 管 理 的 空 白, 给 出 高 效 的 解 决 方 案. LEAP 协 议 是 基 于 口 令 的 轻 量 级 密 钥 交 换 协 议, 虽 然 它 提 供 了 无 线 网 络 认 证 密 钥 交 换 的 一 种 方 式, 但 它 却 受 到 离 线 字 典 攻 击 (off-line dictionary attack). 如 何 克 服 这 些 困 难, 设 计 高 效 安 全 的 轻 量 级 鉴 别 机 制, 是 一 个 需 要 深 入 研 究 的 问 题. 国 际 标 准 化 组 织 也 正 在 制 订 轻 量 级 密 码 算 法 的 相 关 标 准, 其 中 包 括 轻 量 级 的 分 组 密 码 流 密 码 数 字 签 名 等. 但 是, 目 前 对 于 轻 量 级 认 证 技 术 并 没 有 统 一 的 衡 量 和 评 价 的 标 准 体 系, 轻 量 级 认 证 还 处 于 发 展 阶 段. 虽 然 很 多 标 准 化 组 织 已 经 对 消 息 认 证 码 进 行 标 准 化 工 作, 例 如 采 用 CBC 工 作 模 式 构 造 的 CBC-MAC, 现 已 是 ANSI X9.9 FIPS PUB 113 和 ISO/IEC 9797 标 准 [31], 但 还 没 有 轻 量 级 的 消 息 认 证 码 的 相 关 标 准. (3) 在 感 知 节 点 鉴 术 方 面 鉴 别 机 制 提 供 了 关 于 某 个 实 体 ( 用 户 节 点 或 设 备 ) 身 份 的 保 证, 这 意 味 着 每 当 某 个 实 体 声 称 具 有 一 个 特 定 的 身 份 时, 鉴 别 机 制 将 提 供 某 种 方 法 来 证 实 这 一 声 明 是 正 确 的. 目 前, 一 些 轻 量 级 的 鉴 别 机 制 被 提 出, 主 要 思 想 是 以 牺 牲 一 方 ( 如 让 资 源 丰 富 的 服 务 器 处 理 大 量 的 计 算 ) 为 代 价, 来 节 省 资 源 受 限 节 点 的 计 算 开 销. 最 近 关 于 聚 合 签 名 (aggregate signature) 的 研 究 对 于 设 计 轻 量 级 高 效 鉴 别 机 制 有 可 借 鉴 之 处. 聚 合 签 名 的 概 念 最 初 是 由 Boneh 等 人 提 出 的 [32], 他 们 引 进 了 一 种 改 进 通 信 效 率 和 计 算 效 率 的 方 法 : 把 n 个 不 同 用 户 对 n 个 不 同 消 息 做 的 签 名 合 并 成 一 个 有 效 的 签 名, 验 证 者 通 过 对 此 聚 合 签 名 的 验 证, 即 可 证 实 每 个 用 户 所 做 的 相 应 签 名 的 正 确 性. 如 何 把 这 种 思 想 应 用 到 物 联 网 感 知 层 鉴 别 机 制 的 设 计 中, 以 减 少 链 路 所 占 用 的 带 宽, 缓 解 通 信 组 成 员 数 量 增 加 所 带 来 的 负 担, 是 物 联 网 安 全 需 要 解 决 的 技 术 挑 战 之 一. 轻 量 级 认 证 技 术 是 构 建 物 联 网 信 任 体 系 的 核 心 内 容, 因 此, 轻 量 级 认 证 关 键 技 术 的 研 究 是 国 家 战 略 需 求, 也 是 互 联 网 演 进 的 必 然 趋 势. (4) RFID 隐 私 保 护 技 术 方 面 关 于 感 知 节 点 隐 私 保 护, 主 要 涉 及 到 感 知 节 点 芯 片 及 存 储 器 物 理 防 护 技 术, 感 知 节 点 数 据 加 密 存 储 技 术, 感 知 节 点 数 据 访 问 控 制 和 双 向 认 证 技 术, 感 知 节 点 周 边 物 理 安 全 防 护 技 术, 感 知 节 点 声 光 电 磁 信 号 干 扰 攻 击 或 隐 藏 技 术. 比 较 突 出 的 是 RFID 技 术 感 知 节 点 的 隐 私 保 护. RFID 技 术 应 用 中 因 电 子 标 签 内 容 被 泄 露, 被 追 踪 定 位 给 人 们 带 来 了 很 多 隐 私 威 胁 问 题. 而 随 着 社 会 的 进 步 与 发 展, 安 全 与 隐 私 得 到 越 来 越 多 的 重 视. 因 此, 针 对 RFID 技 术 应 用 中 的 隐 私 保 护 问 题 国 内 外 学 者 开 展 了 一 定 的 研 究.

8 武 传 坤 : 物 联 网 安 全 关 键 技 术 与 挑 战 47 对 于 RFID 技 术 应 用 中 的 隐 私 保 护 主 要 采 用 两 类, 文 献 [33] 提 到 可 从 物 理 方 法 和 逻 辑 方 法 两 方 面 来 实 现. 目 前 的 物 理 方 法 有 : 破 坏 标 签 (Kill 标 签 ) 屏 蔽 标 签 ( 法 拉 第 网 罩 ) 有 源 干 扰 法 阻 塞 标 签 等. 逻 辑 方 法 有 : 读 取 访 问 控 制 标 签 认 证 标 签 加 密 等. 本 文 侧 重 介 绍 几 种 基 于 Hash 函 数 的 逻 辑 方 法 ( 读 取 访 问 控 制 ). 到 目 前 为 止, 已 有 多 种 RFID 系 统 安 全 协 议 提 出, 包 括 Hash-LOCK 协 议 随 机 化 Hash-LOCK 协 议 Hash-CHAIN 协 议 各 种 改 进 的 Hash 协 议. 文 献 [34] 提 到 kill 机 制. Kill 标 签 机 制 由 标 准 化 组 织 Auto-IDCenter( 自 动 识 别 中 心 ) 提 出, 其 原 理 是 完 全 销 毁 标 签 可 以 阻 止 追 踪, 但 牺 牲 了 RFID 电 子 标 签 功 能. 文 献 [35] 提 到 静 电 屏 蔽. 静 电 屏 蔽 是 采 用 金 属 屏 蔽 方 式 阻 止 标 签 被 读 取. 主 动 干 扰 无 线 电 信 号 是 另 一 种 屏 蔽 标 签 的 方 法. 标 签 用 户 可 以 通 过 一 个 设 备 主 动 广 播 无 线 电 信 号 用 于 阻 止 或 破 坏 附 近 的 RFID 阅 读 器 的 操 作. 文 献 [36] 提 到 阻 止 标 签 方 法. 阻 止 标 签 方 法 是 通 过 阻 止 阅 读 器 读 取 标 签 确 保 消 费 者 隐 私. 与 基 于 物 理 方 法 的 硬 件 安 全 机 制 相 比, 基 于 密 码 技 术 的 安 全 认 证 协 议 受 到 人 们 更 多 的 青 睐. 典 型 的 RFID 安 全 认 证 包 括 Hopper&Blum 系 列 协 议 噪 声 标 签 的 密 码 交 换 协 议 超 宽 带 调 制 物 理 不 可 克 隆 函 数 和 基 于 单 时 码 (One-time Codes) 的 加 密 基 于 Hash 函 数 的 安 全 协 议 等 等. Hopper 和 Blum 提 出 了 基 于 LPN(learning parity with noise) 的 HB 协 议. HB 协 议 执 行 过 程 简 单, 硬 件 设 备 易 于 实 现, 存 储 空 间 和 计 算 负 载 较 小. 同 时, HB+ HB++ 等 一 系 列 HB 协 议 基 于 千 位 数 据 二 进 制 向 量 千 位 密 钥 向 量 和 一 些 噪 声 位, 用 1 或 0 来 表 示 向 量 位 元 素, 并 满 足 一 些 限 定 方 程. 但 攻 击 者 仍 有 可 能 运 用 标 准 随 机 估 计 理 论 通 过 个 别 数 据 猜 测 出 可 能 的 函 数, 存 在 一 定 的 安 全 隐 患. Castelluccia 和 Avoine 提 出 了 基 于 RFID 噪 声 标 签 的 密 码 交 换 协 议. 其 基 本 思 想 是 在 标 签 响 应 消 息 中 加 入 噪 声, 这 些 噪 声 能 够 被 可 信 的 读 写 器 识 别 并 消 除 以 恢 复 有 用 信 号. 攻 击 者 因 为 不 能 正 确 地 区 分 出 噪 声 和 有 用 数 据, 所 以 不 能 窃 取 有 用 的 信 息. 超 宽 带 调 制 (ultra wide band modulation) 方 法 是 基 于 时 分 传 输 时 隙 来 实 现 的. 它 的 安 全 性 在 于 非 法 攻 击 者 很 难 得 知 有 用 信 息 是 在 哪 个 时 隙 发 送 的, 该 过 程 用 到 了 相 位 调 制 器, 也 用 到 了 跳 时 码 (time hopping codes) 伪 随 机 序 列 生 成 器. 基 于 单 时 码 (one-time codes) 的 加 密 其 主 要 思 想 是 运 用 假 名 标 识 来 增 强 RFID 标 签 的 安 全 性. 一 个 标 签 可 以 携 带 多 个 随 机 标 识. 每 当 标 签 被 查 询 时, 标 签 都 给 出 一 个 不 同 的 标 识. 原 则 上, 只 有 一 个 授 权 的 读 写 器 能 够 识 别 出 两 个 不 同 的 标 识 是 否 是 同 一 个 标 签, 以 实 现 安 全 性. 这 种 方 法 的 缺 点 是 : 攻 击 者 也 可 以 通 过 反 复 地 向 某 个 标 签 送 查 询 命 令 以 使 这 种 方 法 的 安 全 性 减 弱. 文 献 [37] 中 提 到 基 于 Hash 函 数 的 安 全 协 议 主 要 有 三 种. Hash 锁 (hash lock) 协 议 是 由 Sarma 等 人 提 出 来 的. 为 了 避 免 信 息 泄 漏 和 被 追 踪, 使 用 metaid 代 替 真 实 的 标 签 ID. Hash 锁 协 议 中 没 有 ID 动 态 刷 新 机 制, 并 且 metaid 也 保 持 不 变, ID 是 以 明 文 的 形 式 通 过 不 安 全 的 信 道 传 送 的, 因 此, Hash 锁 协 议 非 常 容 易 受 到 假 冒 攻 击 和 重 传 攻 击, 攻 击 者 也 可 以 很 容 易 地 对 标 签 进 行 追 踪. 随 机 化 Hash 锁 (Random Hash-Lock) 协 议 由 Weis 等 人 提 出, 采 用 了 基 于 随 机 数 的 询 问 - 应 答 机 制. 在 随 机 化 Hash 锁 协 议 中, 认 证 通 过 后 的 标 签 标 识 IDk 仍 以 明 文 的 形 式 通 过 不 安 全 信 道 传 送, 因 此 攻 击 者 可 以 对 标 签 进 行 有 效 的 追 踪. 同 时, 一 旦 获 得 了 标 签 的 标 识 IDk, 攻 击 者 就 可 以 对 标 签 进 行 假 冒, 而 该 协 议 无 法 抵 抗 重 传 攻 击. Hash 链 协 议 原 理 如 下 : 标 签 最 初 在 存 储 器 设 置 一 个 随 机 的 初 始 化 标 识 符 s, 同 时 这 个 标 识 符 也 储 存 在 后 端 数 据 库. 标 签 包 含 两 个 Hash 函 数 G 和 H. 当 阅 读 器 请 求 访 问 标 签 时, 标 签 返 回 当 前 标 签 标 识 符 rk : G S 给 阅 读 器, 同 时 当 标 签 从 阅 读 器 电 磁 场 获 得 能 量 时 自 动 更 新 标 识 符 s H S. 该 方 案 具 有 前 向 安 全 性, 但 是 该 方 法 需 要 后 台 进 行 大 量 的 Hash 运 算. 标 签 加 密 以 后 仍 具 有 固 定 输 出, 因 此 使 得 标 签 的 追 踪 成 为 可 能, 存 在 标 签 定 位 隐 私 问 题. 文 献 [38] 提 到 基 于 K- 匿 名 模 型 安 全 隐 私 控 制 模 型, K- 匿 名 的 技 术 上 世 纪 末 由 L.sweeney 和 Samarati 在 PODS 上 提 出. 该 技 术 能 够 对 全 部 个 体 敏 感 属 性 进 行 保 护, 将 其 隐 藏 于 K 规 模 的 群 体 里. 之 后, L.sweeney 又 提 出 了 K- 匿 名 的 保 护 模 型, 并 给 出 了 应 用 该 技 术 的 隐 匿 及 泛 化 方 法, 有 效 地 提 升 了 保 护 隐 私 的 力 度. K-

9 48 Journal of Cryptologic Research 密 码 学 报 Vol.2, No.1, Feb 匿 名 的 定 义 是 : 若 一 拥 有 数 据 者, 其 想 将 个 人 数 据 R D D C,,, 1 n 进 行 共 享. 数 据 记 录 的 形 式 如 下 : RV,, V,cls, 1 其 中 V 为 属 性 D i 的 数 值, cls 为 一 个 属 性 C 的 类 别. 如 果 R 与 外 部 数 据 记 录 E 共 享 一 些 属 性, 则 将 其 记 录 为 R E. 假 设 R E 中 值 比 较 特 殊, 则 依 据 它 就 能 够 在 极 大 概 率 下, 进 行 推 断 一 条 对 应 到 现 实 生 活 中 的 具 体 记 录. 所 以, 针 对 所 有 在 R E 里 的 值, 持 有 数 据 者 需 确 保 在 R 中, 均 有 记 录 和 它 进 行 对 应, 该 记 录 的 条 数 可 等 于 或 大 于 某 一 最 小 值. 于 是, 能 够 防 止 利 用 R E 中 的 值 对 R 里 数 据 隐 私 性 的 破 坏. 文 献 [39] 提 到 对 于 使 用 用 户 的 地 点 信 息, 但 是 不 把 地 点 信 息 透 漏 给 提 供 服 务 的 提 供 者 或 第 三 方. 这 类 位 置 隐 私 问 题 可 通 过 计 算 几 何 方 法 解 决. 特 别 是 在 物 联 网 的 近 距 离 通 信 中, 由 于 RFID 芯 片 使 用 者 和 RFID 读 写 器 距 离 太 近, 以 至 于 阅 读 器 的 地 点 无 法 隐 藏. 保 护 使 用 者 地 点 隐 私 的 方 法 是 使 用 安 全 多 方 计 算 的 临 时 密 码 保 护 并 隐 藏 RFID 标 识. 4 物 联 网 的 安 全 架 构 物 联 网 的 健 康 发 展 少 不 了 信 息 安 全 保 护 技 术, 但 在 物 联 网 这 个 特 殊 的 领 域, 许 多 传 统 领 域 中 的 信 息 安 全 技 术 不 能 直 接 移 植 过 来, 需 要 重 新 搭 建 物 联 网 安 全 架 构 和 在 此 架 构 下 裁 剪 合 适 的 具 体 方 案. 关 于 物 联 网 安 全 架 构 问 题 已 有 许 多 不 同 观 点 不 同 角 度 的 深 入 讨 论, 如 文 献 [16,17,40,41] 年, 在 物 联 网 安 全 架 构 体 系 下, 对 物 联 网 安 全 体 系 的 各 个 关 节 进 行 了 深 入 的 分 析 与 讨 论 [42]. 事 实 上, 到 目 前 为 止 对 什 么 是 物 联 网 没 有 一 个 合 适 定 义, 因 此 对 物 联 网 的 描 述 只 能 从 特 征 和 架 构 上 进 行 描 述. 的 在 介 绍 物 联 网 安 全 架 构 之 前, 首 先 要 了 解 物 联 网 的 架 构. 物 联 网 的 核 心 可 划 分 为 三 个 逻 辑 层, 分 别 为 感 知 层 传 输 层 和 处 理 应 用 层. 总 体 上, 感 知 层 的 作 用 是 获 取 原 始 数 据, 传 输 层 的 作 用 是 将 这 些 原 始 数 据 传 输 到 远 程 的 处 理 平 台 进 行 处 理, 而 处 理 应 用 层 的 作 用 无 疑 是 对 来 自 不 同 感 知 节 点 的 信 息 进 行 存 储 处 理 和 应 用. 由 于 对 数 据 的 处 理 和 对 数 据 的 应 用 无 论 从 流 程 上 和 方 法 上 都 有 很 大 区 别, 为 了 更 清 晰 地 描 述 完 整 的 物 联 网 架 构, 有 时 候 将 物 联 网 的 处 理 应 用 层 又 分 为 处 理 层 和 应 用 层 这 两 个 逻 辑 层, 形 成 4 个 逻 辑 层 的 架 构, 如 图 1 所 示. 从 本 质 上 说, 无 论 三 层 架 构 还 是 四 层 架 构, 其 内 涵 都 是 一 样 的, 只 是 逻 辑 层 划 分 边 界 不 同. 应 用 层 安 全 物 联 网 行 业 应 用 隐 私 保 护 终 端 安 全 处 理 层 安 全 云 技 术 平 台 云 计 算 安 全 技 术 传 输 层 安 全 互 联 网 移 动 宽 带 网 网 络 安 全 技 术 感 知 层 安 全 传 感 器 RFID 视 频 监 控 轻 量 级 安 全 技 术 Figure 1 图 1 物 联 网 安 全 架 构 和 关 键 技 术 示 意 图 An architecture and key techniques of Internet of Things 对 物 联 网 系 统 的 架 构 还 有 另 外 一 种 划 分, 即 海 - 网 - 云 架 构. 在 这 种 架 构 中, 所 有 终 端 设 备 被 化 分 为 一 层, 由 于 物 联 网 系 统 的 终 端 数 量 将 是 巨 大 的, 可 以 用 海 量 来 形 容, 因 此 将 此 类 设 备 形 象 地 称 为 海. 数 据 传 输 的 基 础 网 络 设 施 被 称 为 网, 很 明 显 这 个 网 不 是 单 一 的 网, 而 是 多 种 异 构 网 络 的 统 称, 包 括 局 域 网 互 联 网 移 动 网 等. 物 联 网 系 统 的 数 据 将 由 一 个 具 有 很 强 处 理 能 力 的 平 台 进 行 处 理, 用 户 只 需 要 知 道

10 武 传 坤 : 物 联 网 安 全 关 键 技 术 与 挑 战 49 跟 处 理 平 台 的 逻 辑 关 系, 无 需 知 道 自 己 的 数 据 是 在 处 理 平 台 中 的 哪 个 计 算 机 或 者 处 理 器 处 理 的, 也 无 需 知 道 自 己 的 数 据 存 储 在 哪 里, 只 关 心 当 自 己 需 要 的 时 候 可 以 从 数 据 处 理 中 心 得 到 数 据 和 处 理 结 果, 这 样 的 数 据 处 理 中 心 被 形 象 地 描 述 成 云. 这 样, 就 形 成 了 物 联 网 的 海 - 网 - 云 逻 辑 架 构, 如 图 2 所 示. 云 端 : 计 算 处 理 中 心 云 计 算 中 心 网 : 数 据 传 输 通 道 海 端 : 海 量 终 端 处 理 感 知 终 端 移 动 终 端 计 算 终 端 Figure 2 图 2 物 联 网 的 海 - 网 - 云 架 构 图 The Sea-net-cloud architecture of Internet of Things 考 虑 到 物 联 网 系 统 中 有 两 种 类 型 的 终 端, 一 种 是 用 于 采 集 数 据 的 终 端, 通 常 称 为 感 知 终 端 ( 包 括 RFID 标 签 ), 我 们 称 为 这 种 终 端 为 A 类 终 端, 一 般 处 理 能 力 小, 但 数 量 庞 大 ; 另 一 种 是 用 户 移 动 终 端, 如 手 机 平 板 电 脑 笔 记 本 电 脑 等, 这 类 终 端 的 目 的 是 获 取 A 类 终 端 的 数 据 或 对 这 些 数 据 的 处 理 结 果, 并 且 能 控 制 A 类 终 端. 我 们 称 移 动 终 端 为 B 类 终 端. 在 物 联 网 的 三 层 架 构 中, A 类 终 端 在 感 知 层, B 类 终 端 在 处 理 应 用 层 ; 在 物 联 网 的 四 层 架 构 中, A 类 终 端 在 感 知 层, B 类 终 端 在 应 用 层 ; 而 在 物 联 网 的 海 - 网 - 云 架 构 中, A 类 终 端 与 B 类 终 端 都 在 海 端, 因 此 不 同 架 构 的 内 涵 相 同, 但 划 分 边 界 和 处 理 角 度 不 同. 现 在 我 们 以 物 联 网 的 四 层 架 构 为 基 础, 讨 论 物 联 网 的 安 全 架 构. 首 先, 物 联 网 的 感 知 层 需 要 安 全 保 护, 我 们 称 这 类 安 全 保 护 为 感 知 层 安 全 ; 其 次, 物 联 网 的 传 输 层 需 要 安 全 保 护, 我 们 称 为 处 理 层 安 全 ; 同 样, 物 联 网 的 处 理 层 需 要 安 全 保 护, 我 们 称 为 处 理 层 安 全 ; 最 后, 物 联 网 的 应 用 层 需 要 安 全 保 护, 我 们 称 为 应 用 层 安 全. 下 面 我 们 针 对 每 个 安 全 层, 讨 论 相 关 的 关 键 技 术. 5 物 联 网 感 知 层 安 全 关 键 技 术 物 联 网 感 知 层 主 要 包 括 传 感 器 节 点 传 感 网 路 由 节 点 感 知 层 网 关 节 点 ( 又 称 为 协 调 器 节 点 或 汇 聚 节 点 ) 以 及 连 接 这 些 节 点 的 网 络, 通 常 是 短 距 离 无 线 网 络, 如 Zigbee 433 Wifi 等. 广 义 上, 传 感 器 节 点 也 包 括 RFID 标 签, 感 知 层 网 关 节 点 包 括 RFID 读 写 器, 无 线 网 络 也 包 括 RFID 使 用 的 通 信 协 议, 如 EPCglobal. 考 虑 到 许 多 传 感 器 的 特 点 是 资 源 受 限, 因 此 处 理 能 力 有 限, 对 安 全 的 需 求 也 相 对 较 弱, 但 完 全 没 有 安 全 保 护 会 面 临 很 大 问 题, 因 此 需 要 轻 量 级 安 全 保 护. 什 么 是 轻 量 级? 与 物 联 网 的 概 念 一 样, 对 此 没 有 一 个 标 准 的 定 义. 但 我 们 可 以 分 别 以 轻 量 级 密 码 算 法 和 轻 量 级 安 全 协 议 进 行 描 述. 由 于 RFID 标 准 中 为 安 全 保 护 预 留 了 2000 门 等 价 电 路 的 硬 件 资 源, 因 此 如 果 一 个 密 码 算 法 能 使 用 不 多 余 2000 门 等 价 电 路 来 实 现 的 话, 这 种 算 法 就 可 以 称 为 轻 量 级 密 码 算 法. 目 前 已 知 的 轻 量 级 密 码 算 法 包 括 PRESENT [18] 和 LBLOCK [23] 等. 而 对 轻 量 级 安 全 协 议, 没 有 一 个 量 化 描 述, 许 多 安 全 协 议 都 声 称 为 轻 量 级 协 议, 如 文 献 [15,43]. 虽 然 轻 量 级 密 码 算 法 有 一 个 量 化 描 述, 但 追 求 轻 量 的 目 标 却 永 无 止 境. 因 此 我 们 这 里 列 出 几 个 轻 量 级 密 码 算 法 设 计 的 关 键 技 术 和 挑 战 :

11 50 Journal of Cryptologic Research 密 码 学 报 Vol.2, No.1, Feb (1) 超 轻 量 级 密 码 算 法 的 设 计. 这 类 密 码 算 法 包 括 流 密 码 和 分 组 密 码, 设 计 目 标 是 在 硬 件 实 现 成 本 上 越 小 越 好, 不 考 虑 数 据 吞 吐 率 和 软 件 实 现 成 本 和 运 行 性 能, 使 用 对 象 是 RFID 标 签 和 资 源 非 常 有 限 的 传 感 器 节 点 ; (2) 可 硬 件 并 行 化 的 轻 量 级 密 码 算 法 的 设 计. 这 类 密 码 算 法 同 样 包 括 流 密 码 和 分 组 密 码 算 法, 设 计 目 标 是 考 虑 不 同 场 景 的 应 用, 或 通 信 两 端 的 性 能 折 衷, 虽 然 在 轻 量 化 实 现 方 面 也 许 不 是 最 优, 但 当 不 考 虑 硬 件 成 本 时, 可 使 用 并 行 处 理 技 术 实 现 吞 吐 率 的 大 幅 度 提 升, 适 合 协 调 器 端 使 用 ; (3) 可 软 件 并 行 化 的 轻 量 级 密 码 算 法 的 设 计. 这 类 密 码 算 法 的 设 计 目 标 是 满 足 一 般 硬 件 轻 量 级 需 求, 但 软 件 实 现 时 可 以 实 现 较 高 的 吞 吐 率, 适 合 在 一 个 服 务 器 管 理 大 量 终 端 感 知 节 点 情 况 下 在 服 务 器 上 软 件 实 现 ; (4) 轻 量 级 公 钥 密 码 算 法 的 设 计. 在 许 多 应 用 中, 公 钥 密 码 具 有 不 可 替 代 的 优 势, 但 公 钥 密 码 的 轻 量 化 到 目 前 为 止 是 一 个 没 有 逾 越 的 技 术 挑 战, 即 公 开 文 献 中 还 没 有 找 到 一 种 公 钥 密 码 算 法 可 以 使 用 小 于 2000 等 价 门 电 路 实 现, 且 在 当 前 计 算 能 力 下 不 可 实 际 破 解 ; (5) 非 平 衡 公 钥 密 码 算 法 的 设 计. 这 其 实 是 轻 量 级 公 钥 密 码 算 法 的 折 衷 措 施, 目 标 是 设 计 一 种 在 加 密 和 解 密 过 程 很 不 平 衡 的 公 钥 密 码 算 法, 使 其 加 密 过 程 达 到 轻 量 级 密 码 算 法 的 要 求, 或 解 密 过 程 达 到 轻 量 级 密 码 算 法 的 要 求. 考 虑 到 轻 量 级 密 码 算 法 的 使 用 很 多 情 况 下 是 在 传 感 器 节 点 与 协 调 器 或 服 务 器 进 行 通 信, 而 后 者 计 算 资 源 不 受 限 制, 因 此 无 需 使 用 轻 量 级 算 法, 只 要 在 传 感 器 终 端 上 使 用 的 算 法 具 有 轻 量 级 即 可. 对 于 轻 量 级 安 全 协 议, 既 没 有 量 化 描 述, 也 没 有 定 性 描 述. 总 体 上, 安 全 协 议 的 轻 量 化 需 要 交 同 类 协 议 相 比, 减 少 通 信 轮 数 ( 次 数 ), 减 少 通 信 数 据 量, 减 少 计 算 量, 当 然 这 些 要 求 的 代 价 是 一 定 会 有 所 牺 牲, 就 是 可 靠 性 甚 至 某 些 安 全 性 方 面 的 牺 牲. 可 靠 性 包 括 对 数 据 传 递 的 确 认 ( 是 否 到 达 目 的 地 ), 对 数 据 处 理 的 确 认 ( 是 否 被 正 确 处 理 ) 等, 而 安 全 性 包 括 前 向 安 全 性 后 向 安 全 性 等, 因 为 这 些 安 全 威 胁 在 传 感 器 网 络 中 不 太 可 能 发 生, 攻 击 成 本 高 而 造 成 的 损 失 小. 轻 量 级 安 全 协 议 包 括 如 下 几 种 : (1) 轻 量 级 安 全 认 证 协 议, 即 如 何 认 证 通 信 方 的 身 份 是 否 合 法 ; (2) 轻 量 级 安 全 认 证 与 密 钥 协 商 协 议 (AKA), 即 如 何 在 认 证 成 功 后 建 立 会 话 密 钥, 包 括 同 时 建 立 多 个 会 话 密 钥 的 情 况 ; (3) 轻 量 级 认 证 加 密 协 议, 即 无 需 对 通 信 方 的 身 份 进 行 专 门 认 证, 在 传 递 消 息 使 验 证 消 息 来 源 的 合 法 性 即 可. 这 种 协 议 适 合 非 连 接 导 向 的 通 信 ; (4) 轻 量 级 密 钥 管 理 协 议, 包 括 轻 量 级 PKI, 轻 量 级 密 钥 分 发 ( 群 组 情 况 ), 轻 量 级 密 钥 更 新 等. 注 意 无 论 轻 量 级 密 码 算 法 还 是 轻 量 级 安 全 协 议, 必 须 考 虑 消 息 的 新 鲜 性, 以 防 止 重 放 攻 击 和 修 改 重 放 攻 击. 这 是 与 传 统 数 据 网 络 有 着 本 质 区 别 的 地 方. 6 物 联 网 传 输 层 安 全 关 键 技 术 物 联 网 传 输 层 主 要 包 括 互 联 网 移 动 网 络 ( 如 GSM 3G LTE 等 ), 也 包 括 一 些 非 主 流 的 专 业 网 络, 如 电 信 网 电 力 载 波 等. 但 我 们 研 究 传 输 层 安 全 关 键 技 术 时 一 般 主 要 考 虑 互 联 网 和 移 动 网 络. 事 实 上, 互 联 网 有 着 许 多 安 全 保 护 技 术, 包 括 物 理 层, IP 层 传 输 层 和 应 用 层 的 各 个 方 面, 而 移 动 网 络 的 安 全 保 护 也 有 自 己 的 国 际 标 准, 因 此 物 联 网 传 输 层 的 安 全 技 术 不 是 物 联 网 安 全 中 的 研 究 重 点. 7 物 联 网 处 理 层 安 全 关 键 技 术 物 联 网 处 理 层 就 是 数 据 处 理 中 心, 小 的 可 以 是 一 个 普 通 的 处 理 器, 大 的 可 以 是 由 分 布 式 机 群 构 成 的 云 计 算 平 台. 从 信 息 安 全 角 度 考 虑, 系 统 越 大, 遭 受 攻 击 者 关 注 的 可 能 性 就 越 大, 因 此 需 要 的 安 全 保 护 程 度 就 要 越 高. 因 此 物 联 网 处 理 层 安 全 的 关 键 计 算 主 要 是 云 计 算 安 全 的 关 键 技 术. 由 于 云 计 算 作 为 一 个 独 立 的 研 究 课 题 已 经 得 到 广 泛 关 注, 这 方 面 的 安 全 关 键 技 术 有 许 多 专 门 论 述 和 研 究, 因 此 不 在 本 文 的 讨 论 范 围.

12 武 传 坤 : 物 联 网 安 全 关 键 技 术 与 挑 战 51 8 物 联 网 应 用 层 安 全 关 键 技 术 物 联 网 的 应 用 层 严 格 地 说 不 是 一 个 具 有 普 适 性 的 逻 辑 层, 因 为 不 同 的 行 业 应 用 在 数 据 处 理 后 的 应 用 阶 段 表 现 形 式 相 差 各 异. 综 合 不 同 的 物 联 网 行 业 应 用 可 能 需 要 的 安 全 需 求, 物 联 网 应 用 层 安 全 的 关 键 技 术 可 以 包 括 如 下 几 个 方 面 : (1) 隐 私 保 护 技 术. 隐 私 保 护 包 括 身 份 隐 私 和 位 置 隐 私. 身 份 隐 私 就 是 在 传 递 数 据 时 不 泄 漏 发 送 设 备 的 身 份, 而 位 置 隐 私 则 是 告 诉 某 个 数 据 中 心 某 个 设 备 在 正 常 运 行, 但 不 泄 漏 设 备 的 具 体 位 置 信 息. 事 实 上, 隐 私 保 护 都 是 相 对 的, 没 有 泄 漏 隐 私 并 不 意 味 着 没 有 泄 漏 关 于 隐 私 的 任 何 信 息, 例 如 位 置 隐 私, 通 常 要 泄 漏 ( 有 时 是 公 开 或 容 易 猜 到 的 信 息 ) 某 个 区 域 的 信 息, 要 保 护 的 是 这 个 区 域 内 的 具 体 位 置, 而 身 份 隐 私 也 常 泄 漏 某 个 群 体 的 信 息, 要 保 护 的 是 这 个 群 体 的 具 体 个 体 身 份. 隐 私 保 护 的 研 究 是 一 个 传 统 的 问 题, 国 际 上 对 这 一 问 题 早 有 研 究, 例 如 文 献 [5,6,36,44]. 在 物 联 网 系 统 中, 隐 私 保 护 包 括 RFID 的 身 份 隐 私 保 护 移 动 终 端 用 户 的 身 份 和 位 置 隐 私 保 护 大 数 据 下 的 隐 私 保 护 技 术 等. 在 智 能 医 疗 等 行 业 应 用 中, 传 感 器 采 集 的 数 据 需 要 集 中 处 理, 但 该 数 据 的 来 源 与 特 定 用 户 身 份 没 有 直 接 关 联, 这 就 是 身 份 隐 私 保 护. 这 种 关 联 的 隐 藏 可 以 通 过 第 三 方 管 理 中 心 来 实 现, 也 可 以 通 过 密 码 技 术 来 实 现. 隐 私 保 护 的 另 一 个 种 类 是 位 置 隐 私 保 护, 即 用 户 信 息 的 合 法 性 得 到 检 验, 但 该 信 息 来 源 的 地 理 位 置 不 能 确 定. 同 样 位 置 隐 私 的 保 护 方 法 之 一 是 通 过 密 码 学 的 技 术 手 段. 根 据 我 们 的 经 验, 在 现 实 世 界 中 少 有 不 慎, 我 们 的 隐 私 信 息 就 被 暴 露 于 网 络 上, 有 时 甚 至 处 处 小 心 还 是 会 泄 漏 隐 私 信 息. 因 此 如 何 在 物 联 网 应 用 系 统 中 不 泄 漏 隐 私 信 息 是 物 联 网 应 用 层 的 关 键 技 术 之 一. 在 物 联 网 行 业 应 用 中, 如 果 隐 私 保 护 的 目 标 信 息 没 有 被 泄 漏, 就 意 味 着 隐 私 保 护 是 成 功 的, 但 在 学 术 研 究 中, 我 们 需 要 对 隐 私 的 泄 漏 进 行 量 化 描 述, 即 一 个 系 统 也 许 没 有 完 全 泄 漏 被 保 护 对 象 的 隐 私, 但 已 经 泄 漏 的 信 息 让 这 个 被 保 护 的 隐 私 信 息 非 常 脆 弱, 再 有 一 点 点 信 息 就 可 以 确 定, 或 者 说 该 隐 私 信 息 可 以 以 较 大 概 率 被 猜 测 成 功. 除 此 之 外, 大 数 据 下 的 隐 私 保 护 如 何 研 究, 是 一 个 值 得 深 入 探 讨 的 问 题. (2) 移 动 终 端 设 备 安 全. 智 能 手 机 和 其 他 移 动 通 信 设 备 的 普 及 为 生 活 带 来 极 大 便 利 的 同 时, 也 带 来 很 多 安 全 问 题. 当 移 动 设 备 失 窃 时, 设 备 中 数 据 和 信 息 的 价 值 可 能 远 大 于 设 备 本 身 的 价 值, 因 此 如 何 保 护 这 些 数 据 不 丢 失 不 被 窃, 是 移 动 设 备 安 全 的 重 要 问 题 之 一. 当 移 动 设 备 称 为 物 联 网 系 统 的 控 制 终 端 时, 移 动 设 备 的 失 窃 所 带 来 的 损 失 可 能 会 远 大 于 设 备 中 数 据 的 价 值, 因 为 对 A 类 终 端 的 恶 意 的 控 制 所 造 成 的 损 失 不 可 估 量. 因 此 作 为 物 联 网 B 类 终 端 的 移 动 设 备 安 全 保 护 是 重 要 的 技 术 挑 战. (3) 物 联 网 安 全 基 础 设 施. 应 该 说, 即 使 保 证 物 联 网 感 知 层 安 全 传 输 层 安 全 和 处 理 层 安 全, 也 保 证 终 端 设 备 不 失 窃, 仍 然 不 能 保 证 整 个 物 联 网 系 统 的 安 全. 一 个 典 型 的 例 子 是 智 能 家 居 系 统, 假 设 传 感 器 到 家 庭 汇 聚 网 关 的 数 据 传 输 得 到 安 全 保 护, 家 庭 网 关 到 云 端 数 据 库 的 远 程 传 输 得 到 安 全 保 护, 终 端 设 备 访 问 云 端 也 得 到 安 全 保 护, 但 对 智 能 家 居 用 户 来 说 还 是 没 有 安 全 感, 因 为 感 知 数 据 是 在 别 人 控 制 的 云 端 存 储. 如 何 实 现 端 到 端 安 全, 即 A 类 终 端 到 B 类 终 端 以 及 B 类 终 端 到 A 类 终 端 的 安 全, 需 要 由 合 理 的 安 全 基 础 设 施 完 成. 对 智 能 家 居 这 一 特 殊 应 用 来 说, 安 全 基 础 设 施 可 以 非 常 简 单, 例 如 通 过 预 置 共 享 密 钥 的 方 式 完 成, 但 对 其 他 环 境, 如 智 能 楼 宇 和 智 慧 社 区, 预 置 密 钥 的 方 式 不 能 被 接 受, 也 不 能 让 用 户 放 心. 如 何 建 立 物 联 网 安 全 基 础 设 施 的 管 理 平 台, 是 安 全 物 联 网 实 际 系 统 建 立 中 不 可 或 缺 的 组 成 部 分, 也 是 重 要 的 技 术 问 题. (4) 物 联 网 安 全 测 评 体 系. 安 全 测 评 不 是 一 种 管 理, 更 重 要 的 是 一 种 技 术. 首 先 要 确 定 测 评 什 么, 即 确 定 并 量 化 测 评 安 全 指 标 体 系, 然 后 给 出 测 评 方 法, 这 些 测 评 方 法 应 该 不 依 赖 于 使 用 的 设 备 或 执 行 的 人, 而 且 具 有 可 重 复 性. 这 一 问 题 必 须 首 先 解 决 好, 才 能 推 动 物 联 网 安 全 技 术 落 实 到 具 体 的 行 业 应 用 中 去. 9 结 论 物 联 网 是 一 种 新 型 产 业 方 向, 是 信 息 技 术 发 展 的 一 个 新 阶 段. 物 联 网 系 统 在 物 联 网 概 念 被 提 出 之 前 就

13 52 Journal of Cryptologic Research 密 码 学 报 Vol.2, No.1, Feb 已 经 大 量 存 在, 但 物 联 网 的 概 念 会 将 这 类 技 术 和 产 业 推 向 更 重 要 的 位 置. 但 是, 物 联 网 安 全 问 题 还 没 有 引 起 足 够 重 视, 行 业 界 认 为 物 联 网 安 全 问 题 没 有 这 么 严 重, 学 术 界 认 为 物 联 网 研 究 不 能 产 生 许 多 创 新 性 成 果. 事 实 上, 与 物 联 网 相 关 的 许 多 技 术 和 理 论 可 以 具 有 很 高 的 学 术 意 义 和 应 用 价 值, 一 些 已 有 方 法 的 应 用, 即 一 些 技 术 方 法 在 某 种 特 殊 物 联 网 行 业 中 的 落 地 实 施 也 是 一 种 集 成 创 新, 因 为 在 应 用 中 除 了 考 虑 功 能 外, 还 要 在 性 能 优 化 方 面 做 许 多 工 作. 本 文 阐 述 了 物 联 网 安 全 所 涉 及 的 一 些 安 全 问 题, 其 中 与 传 统 信 息 安 全 中 常 见 问 题 有 所 区 别 的 是 轻 量 级 安 全 问 题, 特 别 是 非 平 衡 公 钥 密 码 的 设 计 问 题, 隐 私 保 护 问 题, 以 及 物 联 网 安 全 基 础 设 施 问 题 等. References [1] ITU. The Internet of Things[R/OL]. [2] Floerkemeier C, Fleisch E, Langheinrich M, et al. The Internet of Things: First International Conference, IOT 2008, Zurich, Switzerland, March 26 28, Proceedings[M]. Springer Science & Business Media, [3] Van Kranenburg R. The Internet of Things[M]. Waag Society, Amsterdam, The Netherlands, [4] Yan L, Zhang Y, Yang L T, et al. The Internet of Things: From RFID to the Next-Generation Pervasive Networked Systems[M]. Auerbach Publications, [5] Medaglia C M, Serbanati A. An overview of privacy and security issues in the internet of things[c]. In: The Internet of Things. Springer New York, 2010: [6] Weber R H. Internet of Things new security and privacy challenges[j]. Computer Law & Security Review, 2010, 26(1): [7] de Leusse P, Periorellis P, Dimitrakos T, et al. Self managed security cell, a security model for the Internet of Things and Services[C]. In: 2009 First International Conference on Future Internet. IEEE, 2009: [8] Mattern F, Floerkemeier C. From the internet of computers to the internet of things[c]. In: From Active Data Management to Event-based Systems and More. Springer Berlin Heidelberg, 2010: [9] Wonnemann C, Struker J. Password management for EPC Class 1 Generation 2 transponders[c]. In: th IEEE Conference on E-Commerce Technology and the 5th IEEE Conference on Enterprise Computing, E-Commerce and E-Services,. IEEE, 2008: [10] Fabian B, Günther O. Security challenges of the EPCglobal network[j]. Communications of the ACM, 2009, 52(7): [11] Traub K, Allgair G, Barthel H, et al. The EPCglobal architecture framework[s]. epc_standards/architecture_1_3-framework pdf. [12] Watro R, Kong D, Cuti S, et al. TinyPK: securing sensor networks with public key technology[c]. In: Proceedings of the 2nd ACM Workshop on Security of Ad Hoc and Sensor Networks. ACM, 2004: [13] Benenson Z, Gedicke N, Raivio O. Realizing robust user authentication in sensor networks[j]. Real-World Wireless Sensor Networks (REALWSN), 2005, 14: 52. [14] Bauer K, Lee H. A distributed authentication scheme for a wireless sensing system[j]. ACM Transactions on Information and System Security, 2008, 11(3): [15] Peris-Lopez P. LMAP: a real lightweight mutual authentication protocol for low-cost RFID tags[j]. Journal of Signal Processing Systems, 2010, 59: [16] Fang B X. Security of internet of things[j]. Information and Communications Technologies, 2010, 4(6):4. 方 滨 兴. 关 于 物 联 网 的 安 全 [J]. 信 息 通 信 技 术, 2010, 4(6):4. [17] Wu C K. A preliminary investigation on the security architecture of the internet of things[j]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2010, 25(4): 武 传 坤. 物 联 网 安 全 架 构 初 探, 中 国 科 学 院 院 刊, 2010, 25(4): [18] Bogdanov A, Knudsen L, Leander G, et al. PRESENT: an ultra-lightweight block cipher[c]. In: Cryptographic Hardware and Embedded Systems CHES Springer Berlin Heidelberg 2007: [19] Shirai T, Shibutani K, Akishita T, et al. The 128-bit blockcipher CLEFIA[C]. In: Fast Software Encryption FSE Springer Berlin Heidelberg, 2007: [20] ISO. Information technology-security techniques-lightweight cryptography-part 2: Block ciphers[s/ol]. iso/iso_catalogue/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=56552 [21] Leander G, Paar C, Poschmann A, et al. New lightweight DES variants[c]. In: Fast Software Encryption FSE Springer Berlin Heidelberg, 2007: [22] De Canniere C, Dunkelman O, Knežević M. KATAN and KTANTAN a family of small and efficient hardware-oriented block ciphers[c]. In: Cryptographic Hardware and Embedded Systems CHES Springer Berlin Heidelberg, 2009: [23] Wu W L, Zhang L. LBlock: a lightweight block cipher[c]. In: Applied Cryptography and Network Security ACNS Springer Berlin Heidelberg, 2011:

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