物联网安全体系结构研究

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摘 要：随着物联网在众多领域的广泛应用，网络信息安全的防护技术也变得越来越重要。文中分析了物联网安全需求和面临的安全问题，研究了物联网安全的系统架构，并对一些安全关键技术进行了深入研究，希望为建立物联网可靠的信息安全体系提供参考。

关键词：物联网；安全架构；信息安全；防护技术

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）04-00-03

0 引 言

如果说计算机技术的出现和发展实现了人类与计算机的直接对话，同时互联网技术的广泛应用满足了人与人之间的交流欲望，那么物联网技术的诞生和发展就在某种程度上完成了人类与物体交流、物体互相交流的场景需求。物联网普遍被人接受的概念由国际电信联盟（International Telecommunication Union）提出，无处不在的物联网通信时代已经到来，通过生活中熟悉的用品嵌入各种信息收发装置，人们将感受与传统通信交流方式不一样的交流渠道。简而言之，物联网就是物体与物体相互连接的互联网，它以互联网为根基并与传感网、移动通信等网络进行有机融合，并加以拓展与深化。物联网具备以下三个特点：

（1）具有感知全面性，即通过感知技术脱离时空限制来获取目标信息；

（2）具有传输准确性，融合互联网与电信网络的优点，将感知信息精确发送给目标，满足实时性要求，同时物体本身还要具备数据接收和解释执行的能力；

（3）智能化应用，随着大数据时代的到来，利用先进的智能计算技术对搜集到的大量数据信息进行妥善分析与处理，实现对目标物体的控制。

物联网与互联网的差异主要体现在对网络各种特性要求上的差别，由于自身特性，物联网在即时通信、可靠性、资源准确性等方面需求更大。物联网的安全构建在互联网的安全上，需要在制定物联网安全策略时将互联网安全作为基础，还应充分考虑物联网安全技术的机密性、完整性和可用性等特点。在物联网飞速发展的今天，构建物联网安全体系结构的需求更加明显，以上这些问题都为物联网安全问题研究提供了理论依据。

1 物联网安全理论基础

1.1 物联网的安全需求与特征

当今物联网安全机制缺乏的重要原因就在于感知层的节点受到能力、能量限制，自我保护能力较差，并且物联网的标准化工作尚未完成，以致其工作过程中的信息传输协议等也未能统一标准。攻击节点身份、对数据的完整性和一致性的有意破坏、恶意手动攻击等都对物联网感知工作的安全造成威胁。目前的通信网络是人类个体作为终端进行设计的，数量远不及物联网中的感知节点，通信网络自身承载能力的局限性在某种程度上也增加了通信的安全风险。大量的终端节点接入会造成网络资源抢占，从而给拒绝服务攻击提供了条件，对密钥需求量的增加也会造成传输资源的不必要消耗。在目前的网络中，通过较为复杂的算法对数据进行加密以保护数据的机密性和完整性，而在物联网通信环境中，大部分场景中单个设备的数据发送量相对较小，使用复杂的算法保护会带来不必要的延时。

1.2 物联网安全的关键技术

物联网的融合性在我们制定安全策略时是尤为值得思考的一个问题，它集几种网络的通信特点于一身，同时也把各网络的安全问题融合起来。而且在对传统通信网络的安全性研究工作发展了一段时间的情况下，资源有限、技术不成熟等因素导致了物联网感知网络的学习建设工作更加困难。物联网安全的关键技术如图1所示。

总而言之，应用物联网安全技术时，必须全方面考虑安全需求，部署系统的安全保护措施，从而能够应对安全威胁，防止安全短板，进行全方位的安全防护。

1.3 基于物联网三层结构的安全体系结构

物联网是一种应用感知技术，基于现有通信技术实现了应用多样化的网络。我们可以基于现有各种成熟的网络技术的有机融合与衔接，实现物联网的融合形成，实现物体与物体、人和物体相互的认识与感受，真正体现物物相连的智能化。目前公认的物联网三层结构如图2所示。

1.3.1 物联网的感知层安全

物联网区别于互联网的主要因素是感知层的存在，它处于底层，直接面向现实环境，基数大，功能各异，渗透进我们日常生活的各个方面，所以其安全问题尤为重要。该层涉及条码识别技术、无线射频识别（RFID）技术、卫星定位技术、图像识别技术等，主要负责感知目标、收集目标信息，包括条码（一、二维）和阅读器、传感器、RFID电子标签和读写器、传感器网关等设备。相对于互联网而言，物联网感知层安全是新事物，是物联网安全的重点，需要重点关注。

感知层安全问题有以下特征：

（1）一些有效、成功的安全策略和算法不能直接应用于感知层，这是由于其自身的资源局限性造成的；

（2）感知节点数量大，不可能做到人工监管，其工作区域的无监督性在一定程度上增加了安全风险；

（3）采用的低速低消耗通信技术在制定安全策略和算法选择时要考虑时空复杂度以降低通信资源的消耗；

（4）物联网应用场合的差异性导致了需要的技术策略也不尽相同。

这里以RFID技术为例，由于RFID应用的广泛性，在RFID技术的应用过程中，其安全问题越来越成为一个社会热点。随着技术的发展，目前乃至将来，RFID标签将存储越来越多的信息，承担越来越多的使命，其安全事故的危害也会越来越大，而不再是无足轻重。RFID系统中电子标签固有的资源局限性、能量有限性和对读写操作的速度和性能上的要求，都增加了在RFID系统中实现安全的难度，同时还需要我们对算法复杂度、认证流程和密钥管理方面的问题加以考虑。与常规的信息系统相同，攻击RFID系统的手段与网络攻击手段相似，一般包括被动、主动、物理、内部人员和软/硬件配装等。现在提出的RFID安全技术研究成果主要包括访问控制、身份认证和数据加密，其中身份认证和数据加密有可能被组合运用，但其需要一定的密码学算法配合。

1.3.2 物联网的网络层安全

物联网利用网络层提供的现有通信技术，能够把目标信息快速、准确地进行传递。它虽然主要以发展成熟的移动通信网络与互联网技术为基础构建，但其广度与深度都进行了很大程度的扩展和超越。网络规模和数据的膨胀，将给网络安全带来新的挑战与研究方向，同时网络也将面对新的安全需求。物联网是为融合生活中随处可见的网络技术而建立的，伴随互联网和移动网络技术的成熟与高速发展，未来物联网的信息传递将主要依靠这两种网络承载。在网络应用环境日益复杂的背景环境下，各种网络实体的可信度、通信链路的安全、安全业务的不可否认性和网络安全体系的可扩展性将成为物联网网络安全的主要研究内容。目前国内物联网处于应用初级阶段，网络安全标准尚未出台，网络体系结构尚未成型，但网络融合的趋势是毋庸置疑的。

相对于传统单一的TCP/IP网络技术而言，所有的网络监控措施、防御技术不仅面临结构更复杂的网络数据，同时又有更高的实时性要求，在网络通信、网络融合、网络安全、网络管理、网络服务和其他相关学科领域都将是一个新的课题、新的挑战。物联网面对的不仅仅是移动通信与互联网技术所带来的传统网络安全问题，还由于缺少人对物联网大量自动设备的有效监控，并且其终端数量庞大，设备种类和应用场景复杂等，这些因素都给物联网安全问题带来了不少挑战。物联网的网络安全体系和技术博大精深，设计涉及网络安全接入、安全防护、嵌入式终端防护、自动控制等多种技术体系。物联网面临着网络可管、可控及服务质量等一系列问题，且有过之而无不及，同时还有许多与传统安全问题不同的特殊点需要深入研究，而这些问题正是由于系统由许多机器组成、设备缺乏管理员的正确看管，设备集群化等特点造成的。

1.3.3 物联网的应用层安全

物联网应用层主要面向物联网系统的具体业务，其安全问题直接面向物联网用户群体，包括中间件层和应用服务层安全问题。此外，物联网应用层的信息安全还涉及知识产权保护、计算机取证等其他技术需求和相关的信息安全技术。

中间件层主要完成对海量数据和信息的收集、分析整合、存储分享、智能处理和管理等功能。智能是该层的主要特征，智能通过自动处理技术实现，主要在于该技术的快速准确性，而非自动处理技术可能达不到预期效果。

该层的安全问题含盖以下几种：

（1）恶意攻击者使用智能处理期间的漏洞躲避身份验证；

（2）非法的人为干预（内部攻击）；

（3）灾难的控制与恢复等。这种安全需求可概括为：需要完善的密钥管理机制，数据机密性和完整性的可靠保证，高智能处理手段，具有入侵检测、病毒检测能力，严格的访问控制与认证机制，恶意指令分析与预防机制等。

应用服务层由于物联网的广泛应用具有多样复杂性，导致它的许多安全性难点并不能使用其它层的安全协议予以解决，可认为它们属于应用层的独有安全问题，需要深入研究。主要涉及不同访问权限访问数据库时的内容筛选决策，用户隐私信息保护及正确认证，信息泄漏追踪，剩余信息保护，电子产品和软件的知识产权保护等方面。

2 物联网安全技术的未来发展趋势

目前来看，物联网安全技术还处于起步阶段，人们只是直观地觉得物联网安全十分重要，但并不能清楚其规划与发展路线。安全技术的跨学科研究进展、安全技术的智能化发展及安全技术的融合化发展等新兴安全技术思路将在物联网安全领域发展和应用中发挥出一定的作用。目前，由于能够满足物联网安全新挑战及体现物联网安全特点的安全技术还不成熟，因而物联网安全技术还将经过一段时间的发展才能完备，并在发展过程中呈现跨学科研究、智能化发展、融合化发展、拥有广阔应用前景等趋势。

未来的物联网发展和应用取决于众多关键技术的研究与进展，其中物联网信息安全保护技术的不断成熟及各种信息安全应用解决方案的不断完善是关键因素。安全问题若不能引起足够重视与持续关注，物联网的应用将受到重大阻力，必将承担巨大的风险。由于物联网是运行在互联网之上的，它以互联网为根基极大的丰富深化了人与物、人与人相互交流的方式和手段，它是互联网功能的扩展，因此物联网将面临更加复杂的信息安全局面。倘若未来日常生活与物联网联系密切，那么物联网安全将对国家信息安全战略产生深远影响。

3 结 语

物联网概念的提出与发展，将在更深入、更多样化的层面影响到信息网络环境，面对非传统安全日益常态化的情况，我们应该认真思考信息安全本质到底发生了哪些变化，呈现出什么样的特点，力求在信息安全知识论和方法论领域进行总结和突破。

参考文献

[1]吴成东.物联网技术与应用[M].北京：科学出版社，2012.

[2]施荣华，杨政宇.物联网安全技术[M].北京：电子工业出版社，2013.

[3]刘海涛.物联网技术应用[M].北京：机械工业出版社，2011.