邊緣計(jì)算中端到端的可信及安全通信技術(shù)研究

余丹 尚志斌

摘 ? 要：文章從邊緣計(jì)算環(huán)境出發(fā)，分析邊邊協(xié)同中端到端通信的可信及安全問題，提出了一種通過準(zhǔn)入認(rèn)證、訪問授權(quán)、端到端加密的可信安全通信方法。該方法基于集中管理、分布計(jì)算、端端協(xié)作的思想設(shè)計(jì)，具有可信、安全、可管理等特點(diǎn)，已經(jīng)得到了實(shí)際部署應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);邊緣計(jì)算;端到端加密;身份驗(yàn)證;訪問授權(quán)

中圖分類號(hào)： TP39 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Abstract： Around the edge computing environment， this paper analyzes the trustworthiness and security of end-to-end communication in edge computing cooperation. This paper presents a trusted and security communication method through access authentication， access authorization and end-to-end encryption. With the idea of centralized management， distributed computing and end-to-end cooperation， the method has the characteristics of trustworthiness， security and manageability in edge computing， and applied practically.

Key words： IOT; edge computing; end to end encryption; authentication; authorization

1 引言

邊緣計(jì)算是一種在物理上靠近數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)的計(jì)算模式。邊緣計(jì)算發(fā)生的位置稱為邊緣結(jié)點(diǎn)，它可以是數(shù)據(jù)產(chǎn)生源頭和云中心之間任一具有計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)資源的結(jié)點(diǎn)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G的發(fā)展，邊緣計(jì)算在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。邊緣產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，被大量在邊緣部署的本地化應(yīng)用使用，邊邊協(xié)同讓邊緣計(jì)算發(fā)揮出更大的價(jià)值。但通過端到端通信實(shí)現(xiàn)的邊邊協(xié)同，在可信安全通信方面也面臨更大的挑戰(zhàn)。

相對(duì)于云端，邊緣計(jì)算端的設(shè)備/服務(wù)應(yīng)用面臨更多的安全問題。

（1）邊緣環(huán)境復(fù)雜，邊緣設(shè)備容易被入侵、被替換，導(dǎo)致設(shè)備身份難以確認(rèn)。

（2）邊緣與邊緣之間的訪問缺乏統(tǒng)一的授權(quán)機(jī)制，增加了訪問難度。

（3）缺乏可靠的身份驗(yàn)證以及訪問授權(quán)，即使實(shí)現(xiàn)端到端加密也難保證訪問的可信度。

基于以上問題，本文提出了在邊緣環(huán)境中解決計(jì)算端身份確認(rèn)，端到端訪問授權(quán)以及端到端加密的方案。

2 問題描述

本文描述的三個(gè)問題場(chǎng)景解釋為：

（1）證書獲取的問題

線上獲取證書，容易出現(xiàn)信息被泄漏盜取。邊緣計(jì)算使用單位需要線下獲得證書，這個(gè)過程需要通過系統(tǒng)的證書管理完成。

（2）準(zhǔn)入認(rèn)證的問題

邊緣計(jì)算設(shè)備獲得證書后，需要完成準(zhǔn)入認(rèn)證后才可以進(jìn)行通信。準(zhǔn)入認(rèn)證將完成設(shè)備注冊(cè)，身份確認(rèn)以及與使用單位的歸屬關(guān)系。準(zhǔn)入認(rèn)證是設(shè)備可信的首要條件。

（3）安全通信

安全通信不只是加密。即便是已經(jīng)通過準(zhǔn)入認(rèn)證的設(shè)備在通信前還需要做身份確認(rèn)。是否可以訪問其他計(jì)算端還需要邊緣計(jì)算使用單位進(jìn)行訪問授權(quán)。只有得到授權(quán)后，端和端之間才能交換密鑰進(jìn)行加密通信。

3 一種端到端的可信和安全通信方案架構(gòu)

3.1 整體架構(gòu)

根據(jù)上文的描述，本文提出一種端到端的可信和安全通信方案整體架構(gòu)，如圖1所示。

系統(tǒng)由管理層、通信層、邊緣層和計(jì)算層組成。管理層的任務(wù)是管理設(shè)備準(zhǔn)入、認(rèn)證設(shè)備身份、確定設(shè)備歸屬以及授權(quán)設(shè)備訪問。通信層架構(gòu)在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)之上，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)端到端通信。邊緣層架構(gòu)在使用者邊緣環(huán)境中，比如辦公室、車間等。計(jì)算層由邊緣層里具有計(jì)算及網(wǎng)絡(luò)能力的邊緣設(shè)備構(gòu)成，這些邊緣層的設(shè)備被稱為邊緣計(jì)算端或計(jì)算端。

系統(tǒng)體現(xiàn)了集中管理、分布計(jì)算、端端協(xié)作的思想，有效利用了邊緣計(jì)算環(huán)境的資源及優(yōu)勢(shì)。

3.2 系統(tǒng)組件

（1）證書管理

設(shè)備的準(zhǔn)入由證書管理實(shí)現(xiàn)，只有獲得系統(tǒng)頒發(fā)證書的設(shè)備才可以進(jìn)入系統(tǒng)。證書管理同時(shí)配合計(jì)算端設(shè)備的加密芯片可以保證設(shè)備的可信度。

（2）身份管理

證書和設(shè)備綁定后，設(shè)備的身份將被確定。設(shè)備身份信息比如硬件信息、操作系統(tǒng)信息通常不會(huì)發(fā)生變化;如果發(fā)生變化將影響設(shè)備的可信度，身份管理將通知設(shè)備使用單位確認(rèn)變化。

（3）歸屬管理

計(jì)算端設(shè)備都會(huì)歸屬于某個(gè)使用單位，使用單位可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理。

（4）訪問管理

計(jì)算端之間是否可以相互訪問，由訪問管理決定。只有使用單位在訪問管理中授權(quán)，兩個(gè)計(jì)算端之間才可以互相訪問。

（5）計(jì)算端

使用加密芯片防止邊緣設(shè)備上的數(shù)據(jù)被篡改、被復(fù)制，保護(hù)設(shè)備安全。

（6）邊緣通信網(wǎng)絡(luò)

為端到端的通信提供通道。局域網(wǎng)和VPN都可以實(shí)現(xiàn)。目前有種新興應(yīng)用層隧道通信技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)邊緣通信網(wǎng)絡(luò)，并且該技術(shù)完全在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，在應(yīng)用之間建立通信隧道。

4 一種端到端的可信安全通信具體方案

4.1 證書申請(qǐng)

邊緣計(jì)算使用單位，從證書管理中心申請(qǐng)計(jì)算端身份證書，并將證書歸屬到使用單位名下，同時(shí)保存證書公鑰的Hash值，在將來計(jì)算端身份驗(yàn)證時(shí)，計(jì)算端和身份驗(yàn)證系統(tǒng)握手時(shí)使用。

4.2 證書導(dǎo)入

使用單位線下將計(jì)算端身份證書導(dǎo)入計(jì)算端，并存入加密芯片中。利用加密芯片的防復(fù)制防篡改的特性防止證書被盜用。

4.3 計(jì)算端準(zhǔn)入認(rèn)證

計(jì)算端準(zhǔn)入認(rèn)證分為三個(gè)階段：握手、注冊(cè)、綁定。

（1）握手階段。

步驟一：計(jì)算端發(fā)起連接，請(qǐng)求與身份管理系統(tǒng)握手。

步驟二：身份管理系統(tǒng)回應(yīng)一次性不會(huì)重復(fù)使用的握手密鑰給計(jì)算端。

步驟三：計(jì)算端將證書公鑰拼接握手密鑰后再Hash為握手響應(yīng)信息：

hash（證書公鑰+握手密鑰）=握手響應(yīng)信息

然后發(fā)送公鑰Hash及握手響應(yīng)信息給身份管理系統(tǒng)：

negotiate（Hash（證書公鑰）+握手響應(yīng)信息）

步驟四：身份管理系統(tǒng)使用公鑰Hash作為索引獲得對(duì)應(yīng)的身份證書，再使用證書公鑰拼接握手密鑰Hash后與握手響應(yīng)信息對(duì)比：

match（hash（證書公鑰+握手密鑰），握手響應(yīng)信息）

如果結(jié)果不匹配將拒絕計(jì)算端認(rèn)證。

步驟五：身份管理系統(tǒng)使用證書私鑰加密握手密鑰產(chǎn)生握手確認(rèn)信息：

encrypt（證書私鑰， 握手密鑰） = 握手確認(rèn)信息

并發(fā)送給計(jì)算端。

步驟六：計(jì)算端使用公鑰解密握手確認(rèn)信息，并與握手密鑰對(duì)比：

match（decrypt（公鑰）， 握手密鑰）

如果結(jié)果不匹配，計(jì)算端將拒絕注冊(cè)。

握手的目的是實(shí)現(xiàn)計(jì)算端和系統(tǒng)的雙向有效性驗(yàn)證，同時(shí)防止無效認(rèn)證及惡意認(rèn)證的行為。

（2）注冊(cè)階段

握手完成后，計(jì)算端將加密芯片ID、硬件系統(tǒng)信息、操作系統(tǒng)信息加密發(fā)給身份管理系統(tǒng)：

encrypt（公鑰，[加密芯片ID，硬件系統(tǒng)信息，操作系統(tǒng)信息]）=注冊(cè)信息

身份管理系統(tǒng)揭秘注冊(cè)信息并保存。

（3）綁定階段

由于加密芯片具有防侵入、防篡改、防復(fù)制的能力，身份管理系統(tǒng)會(huì)將加密芯片ID作為計(jì)算端ID與計(jì)算端綁定。而計(jì)算端通過身份證書與邊緣計(jì)算使用單位形成綁定管理。在之后的通信中，計(jì)算端ID可以當(dāng)做通信地址使用，使用單位可以通過訪問管理系統(tǒng)為抵制添加訪問策略及授權(quán)。

綁定完成后。使用端位可以在歸屬管理系統(tǒng)解除綁定關(guān)系，這樣計(jì)算端將無法通信，必須重新獲得證書，并在此完成準(zhǔn)入認(rèn)證。準(zhǔn)入認(rèn)證結(jié)束后，計(jì)算端的可信度得到保證。

4.4 安全通信

端到端的安全通信將完成四個(gè)階段。

（1）訪問授權(quán)

如果有A端訪問B端：

步驟一：A端與訪問管理系統(tǒng)之間完成握手，握手的機(jī)制與準(zhǔn)入認(rèn)證的握手機(jī)制相同。

步驟二：A端加密B端的ID產(chǎn)生訪問權(quán)限請(qǐng)求信息：

encrypt（A端公鑰， B端ID） = 訪問權(quán)限請(qǐng)求信息

A端發(fā)給訪問權(quán)限請(qǐng)求信息給訪問管理系統(tǒng)。

步驟三：訪問管理系統(tǒng)解密訪問權(quán)限請(qǐng)求信息，并查找A端到B端的權(quán)限。如未授權(quán)，拒絕A端訪問B端。

步驟四：如有權(quán)限，訪問管理系統(tǒng)將產(chǎn)生一次性不會(huì)重復(fù)使用的握手密鑰。并將此握手密鑰與A端的ID一起用B端的私有加密發(fā)送給B端：

encrypt（B端公鑰， [A端ID，握手密鑰]）

= B端訪問握手預(yù)備信息

再用A端的私鑰加密握手密鑰：

encrypt（A端公鑰，握手密鑰） = A端訪問握手預(yù)備信息

發(fā)送給A端。

步驟五：A端收到A端訪問握手預(yù)備信息后解密，將A端ID、B端ID、訪問握手密鑰一起Hash：

hash（A端ID、B端ID、訪問握手密鑰）=訪問握手碼

然后將訪問握手碼發(fā)送給B端。B端收到訪問握手碼后，用從訪問管理系統(tǒng)收到的B端訪問握手信息里的A端ID、訪問握手密鑰和B端ID一起進(jìn)行Hash并與從A端收到的訪問握手碼比對(duì)：

match（hash（A端ID、B端ID、訪問握手密鑰）， 訪問握手碼）

如果匹配失敗，B端拒絕A端訪問。如果匹配成功，B端回應(yīng)訪問握手確認(rèn)碼：

hash（B端ID、A端ID、訪問握手密鑰）= 訪問握手確認(rèn)碼

A端收到訪問握手確認(rèn)信息，將本端信息Hash后與之比較：

match（hash（B端ID、A端ID、訪問握手密鑰）， 訪問握手確認(rèn)碼）

如果匹配A端將開始與B端建立安全通道，否則A端將中斷連接。

（2）二次身份驗(yàn)證

訪問握手確認(rèn)后，A/B端相互交換密鑰建立安全通道。

步驟一：A端為此次通信產(chǎn)生一對(duì)臨時(shí)的公鑰/私鑰，并將臨時(shí)公鑰發(fā)送給B端。

步驟二：B端收到A端的臨時(shí)公鑰后，首先也為端為此次通信產(chǎn)生一對(duì)臨時(shí)的公鑰/私鑰，然后使用A端臨時(shí)公鑰加密訪問握手碼進(jìn)行二次身份驗(yàn)證碼：

encrypt（A端臨時(shí)公鑰， 訪問握手碼）=二次身份驗(yàn)證碼

并將B端的臨時(shí)公鑰與二次身份驗(yàn)證碼發(fā)送給A端：

exchange（B端的臨時(shí)公鑰， 二次身份驗(yàn)證碼）

步驟三：A端收到B端的臨時(shí)公鑰及二次身份驗(yàn)證碼后，首先校對(duì)二次身份驗(yàn)證碼：

match（decrypt（A端臨時(shí)私鑰， 二次身份驗(yàn)證碼），訪問握手碼）

如果匹配不成功，A端將中斷連接。如果匹配成功，A端使用B端臨時(shí)公鑰加密訪問握手確認(rèn)碼進(jìn)行二次身份驗(yàn)證確認(rèn)：

encrypt（B端臨時(shí)公鑰， 訪問握手確認(rèn)碼）=二次身份驗(yàn)證確認(rèn)碼

并將二次身份驗(yàn)證確認(rèn)碼發(fā)送給B端。

步驟四：B端收到二次身份驗(yàn)證確認(rèn)碼后，對(duì)二次身份驗(yàn)證確認(rèn)碼進(jìn)行校驗(yàn)：

match（decrypt（B端臨時(shí)私鑰， 二次身份驗(yàn)證確認(rèn)碼），訪問握手確認(rèn)碼）

如果不匹配B端將拒絕A端訪問，如果匹配B端將與A端進(jìn)行通信密鑰交換。

（3）通信密鑰交換

B端產(chǎn)生對(duì)稱加密密鑰，并用A端臨時(shí)公鑰加密：

encrypt（A端臨時(shí)公鑰，對(duì)稱加密密鑰）=通信密鑰信息

然后發(fā)送給A端。A端收到通信密鑰信息后解密并保存。

（4）加密通信

A/B端使用雙方交換的對(duì)稱加密密鑰對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密解密。

通信完畢，A/B斷開連接，雙方清除所有對(duì)方信息，等待下一次連接。

4.5 安全性總結(jié)

本研究從三個(gè)方面提升了邊緣計(jì)算環(huán)境中端到端通信的可信及安全。

（1）設(shè)備可信。使用加密芯片可以防止邊緣設(shè)備上的數(shù)據(jù)被篡改、被復(fù)制。同時(shí)設(shè)備被替換也很容易被識(shí)別出來。使用數(shù)字證書可以保證設(shè)備認(rèn)證時(shí)的數(shù)據(jù)真實(shí)性及可靠性。數(shù)字證書與安全芯片的綁定保證了設(shè)備的唯一可用性，這也提升了系統(tǒng)對(duì)邊緣設(shè)備的可信度。

（2）訪問可信。使用握手機(jī)制，確認(rèn)端的可信度，防止惡意連接及無效連接，同時(shí)避免了潛在的攻擊及入侵行為。訪問管理，使端到端的訪問需要先得到授權(quán)才能進(jìn)行連接，保證訪問的有效性，避免惡意訪問及未授權(quán)訪問。二次身份驗(yàn)證，防止計(jì)算端在完成訪問授權(quán)后被劫持，保證計(jì)算端的可信性。

（3）通信加密。端到端加密，保證了在整個(gè)通信過程中，數(shù)據(jù)不會(huì)泄漏，不會(huì)被篡改。

5 結(jié)束語

本文提出的方案不僅可以用在端到端的直連場(chǎng)景下，也是物聯(lián)網(wǎng)中心平臺(tái)的重要組成部分。在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)級(jí)聯(lián)中心點(diǎn)的場(chǎng)景，而基于本文提出的方法，可以將權(quán)限垂直管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的扁平化傳輸，同時(shí)減少了系統(tǒng)總線帶寬，提高報(bào)警推送的實(shí)時(shí)性，減少由于多媒體流轉(zhuǎn)發(fā)需要大量的硬件資源投入。該技術(shù)方案已在國內(nèi)某安全可控物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上部署實(shí)施，可復(fù)合多種通訊通道，提升通訊能力及可靠性，建立無樞紐無中心（亦即多樞紐多中心），具有自適應(yīng)、自修復(fù)的能力。

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