智慧水利物聯(lián)網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)安全體系的應(yīng)用

劉起超

（University of Reading，Reading，RG6 6AH，UK）

智慧水利物聯(lián)網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)安全體系的應(yīng)用

劉起超

（University of Reading，Reading，RG6 6AH，UK）

智慧水利是典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。在智慧水利項(xiàng)目的規(guī)劃建設(shè)中，需要考慮物聯(lián)網(wǎng)安全體系建設(shè)。本文根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)+水利的特點(diǎn)，給出了一種水利網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中物聯(lián)網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。

物聯(lián)網(wǎng)；智慧水利；信息安全

基于互聯(lián)網(wǎng)+的水利物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)蓬勃發(fā)展，水利物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息安全保護(hù)問(wèn)題倍加突出，應(yīng)加大研究和建設(shè)力度，一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)該包括三個(gè)邏輯層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層（又稱為傳輸層）與處理應(yīng)用層。

1　感知層安全設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)的感知層主要用于感知環(huán)境信息。在智慧水利物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，感知層包括傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)（又稱為感知層網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）構(gòu)成。

1.1安全算法的選取

針對(duì)感知層安全保護(hù)，選取RECTANGLE密碼算法，這是一種輕量級(jí)密碼算法。

RECTANGLE算法的整體結(jié)構(gòu)是SP網(wǎng)絡(luò)，總輪數(shù)為25輪，最后再增加一個(gè)子密鑰異或操作。每一輪變換包含三個(gè)步驟：輪子密鑰加AddRoundKey（ARK），列替換SubColumn（SC），行移位ShiftRow（SR）。而且，RECTANGLE算法能極好地支持軟件、硬件環(huán)境，都能很容易和高效實(shí)現(xiàn)突出的性能。

針對(duì)8位AVR微處理器、16位MSP微控制器、32-位ARM處理器、64位x64處理器平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)顯示，RECTANGLE具有讓人印象深刻的軟件實(shí)現(xiàn)性能。

1.2傳感器節(jié)點(diǎn)的公鑰密碼算法需求分析

傳感器節(jié)點(diǎn)的密碼算法和處理器實(shí)施方案在具體應(yīng)用中還要解決密鑰管理問(wèn)題。匯聚節(jié)點(diǎn)較傳感節(jié)點(diǎn)有著更多資源，但在公鑰密碼算法的選取上，必須滿足一定的輕量級(jí)或近輕量級(jí)特征。

根據(jù)分析，基于橢圓曲線的密碼算法可以通過(guò)一定技術(shù)處理達(dá)到低資源需求的性能?？梢愿鶕?jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)性能測(cè)試結(jié)果和實(shí)際需求選擇合適對(duì)硬件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的安全保護(hù)。

2　網(wǎng)絡(luò)層和處理應(yīng)用層設(shè)計(jì)

2.1網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

水利物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的實(shí)施地點(diǎn)一般在荒郊野外，因此聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層一般采用3G或4G移動(dòng)通信。物聯(lián)網(wǎng)號(hào)碼段的3G或4G模塊的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度可以是目前移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的數(shù)倍，而且可以為更多的用戶提供服務(wù)。

2.2處理應(yīng)用層設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)的處理應(yīng)用層就是一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，而智慧水利物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的處理應(yīng)用層由兩層處理構(gòu)成，即本地云計(jì)算處理平臺(tái)和向云計(jì)算中心。本地云處理平臺(tái)，是指用于水利監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理的平臺(tái)，可以是水利監(jiān)控服務(wù)機(jī)構(gòu)自己的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，也可以是地方市政信息服務(wù)平臺(tái)。云計(jì)算處理中心的數(shù)據(jù)是綜合處理后的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)用于全國(guó)范圍的水利數(shù)據(jù)分析，用于科學(xué)地制定政策和防護(hù)措施等。

3　整體安全方案設(shè)計(jì)

智慧水利物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全體系傳感器節(jié)點(diǎn)不分種類，都需要實(shí)現(xiàn)RECTANGLE算法和一種橢圓曲線密碼算法，建議使用SM2國(guó)密標(biāo)準(zhǔn)算法。匯聚節(jié)點(diǎn)除了需要實(shí)現(xiàn)RECTANGLE算法和ECC算法外，還需要使用3G/LTE模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)遠(yuǎn)程傳輸。

3.1傳感節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的安全協(xié)議

1）當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)抄報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。通過(guò)公鑰密碼算法與對(duì)稱密碼算法相結(jié)合的方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的機(jī)密性保護(hù)，其步驟如下：傳感器節(jié)點(diǎn)獲取感知數(shù)據(jù)m；隨機(jī)產(chǎn)生會(huì)話密鑰k；傳感器節(jié)點(diǎn)用匯聚節(jié)點(diǎn)的公鑰加密會(huì)話密鑰k，得到HK；用k加密數(shù)據(jù)m，得到c=Ek（m，T），其中T是時(shí)間戳；將（HK||c）發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)首先使用自己的私鑰解密HK，得到會(huì)話密鑰k；使用k解密c，得到（m，T）=Dk（c）；檢查時(shí)間戳T是否在被允許對(duì)范圍內(nèi)，若是，則接受數(shù)據(jù)m，否則丟棄。通過(guò)上述步驟，傳感器節(jié)點(diǎn)可以將抄報(bào)數(shù)據(jù)m安全發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。

2）當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)需要向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令數(shù)據(jù)d時(shí)，可通過(guò)如下步驟完成：匯聚節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生指令數(shù)據(jù)d，或從上位服務(wù)器獲取指令數(shù)據(jù)d；使用上次與目標(biāo)感知節(jié)點(diǎn)通信的會(huì)話密鑰k（如果這是第一次通信，則使用感知節(jié)點(diǎn)的出場(chǎng)密鑰k0）；匯聚節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)IV作為初始向量，使用會(huì)話密鑰k加密數(shù)據(jù)d和IV，得到c=Ek（d，IV，T），其中T為時(shí)間戳；將（IV||c）發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)；傳感器節(jié)點(diǎn)使用k解密c，得到（d，IV'，T）= Dk（c）；比較IV=IV'是否成立。如果不成立，則停止執(zhí)行；檢查時(shí)間戳T是否在被允許的范圍內(nèi)，如果是，則執(zhí)行指令d，否則丟棄。通過(guò)上述步驟，匯聚指令可以將一個(gè)指令信息安全地發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)。

3.2匯聚節(jié)點(diǎn)與本地云平臺(tái)之間的安全協(xié)議

匯聚節(jié)點(diǎn)與本地云平臺(tái)之間使用3G/LTE移動(dòng)通信協(xié)議。在LTE的認(rèn)證協(xié)議使用了UMTS AKA協(xié)議，具體的流程圖見(jiàn)圖1。

3.3本地云平臺(tái)與云計(jì)算中心之間的安全協(xié)議

在本地云平臺(tái)與云計(jì)算中心之間的通信，使用IPSec協(xié)議的隧道模式，這種模式使得在本地云平臺(tái)與水利部云計(jì)算中心之間通過(guò)密鑰協(xié)商，建立安全隧道，之后的數(shù)據(jù)通信便可通過(guò)這一安全隧道來(lái)完成。

圖1　 UMTS AKA協(xié)議

4　安全性分析

4.1感知層的安全性分析

感知層之間的通信協(xié)議分為上行數(shù)據(jù)安全協(xié)議和下行指令安全協(xié)議。前提是假定安全協(xié)議中所使用的密碼算法是安全的。1）對(duì)上行數(shù)據(jù)安全協(xié)議，考慮非法獲取攻擊、假冒攻擊、偽造攻擊、和重放攻擊的成功可能性。由于上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)都使用加密處理，攻擊者能從密文中獲得原始消息的可能性可以忽略；偽造攻擊者無(wú)法獲取會(huì)話密鑰，因此無(wú)法成功偽造數(shù)據(jù)。2）對(duì)于下行數(shù)據(jù)的安全性，其結(jié)果與上行數(shù)據(jù)類似。需要特別說(shuō)明的是，下行數(shù)據(jù)使用加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)，使得重放攻擊完全沒(méi)有機(jī)會(huì)成功，即使在時(shí)間戳合法范圍內(nèi)，也因?yàn)椴荒苤圃斐鲂碌挠行У腎V而失敗。

4.2傳輸層和處理應(yīng)用層的安全性分析

傳輸層使用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的3G/LTE移動(dòng)通信技術(shù)，無(wú)論3G還是LTE，都可以保證數(shù)據(jù)傳輸安全。對(duì)處理應(yīng)用層則歸結(jié)為一個(gè)云平臺(tái)的安全性。

5　結(jié)語(yǔ)

本文主要為水利物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一整套信息安全保護(hù)方案，從感知層的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸層的數(shù)據(jù)傳輸和處理應(yīng)用層的數(shù)據(jù)保護(hù)，給出了具體技術(shù)方案和建議。該研究在山東省水利物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中得到了初步應(yīng)用，基本滿足了水利物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)需求。

（責(zé)任編輯張玉燕）

F426.91

B

1009-6159（2016）-09-0034-02

2016-05-20

劉起超（1992—），男，學(xué)生