基于SIM卡中SE的物聯(lián)網(wǎng)安全加密方案

張 喆

（中國(guó)電信股份有限公司北京分公司，北京 100123）

1 研究背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展從數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來看，有兩個(gè)重要分支：一個(gè)是低帶寬（100 kb/s左右）廣連接的NB-IoT，另一個(gè)是4G/5G的大帶寬（100 Mb/s以上）長(zhǎng)連接的應(yīng)用場(chǎng)景。

低速的NB-IoT的安全方案目前市場(chǎng)上有三種（物理硬件級(jí)安全模塊的）解決方案：第一種是模組中內(nèi)置單獨(dú)的SE，實(shí)現(xiàn)物理級(jí)的密鑰保護(hù)。比如在海斯Hi2100芯片中增加SE模塊，或者在移遠(yuǎn)模組BC95，BC28內(nèi)增加SE；第二種是設(shè)備種的MCU（Microcontroller Unit）之外在控制板上增加單獨(dú)的安全芯片；第三種是使用運(yùn)營(yíng)商的JAVA卡標(biāo)準(zhǔn)，在SIM中增加單獨(dú)的SE。

高速的4G/5G應(yīng)用市場(chǎng)上目前主要有兩種中方案：第一種是通過 DTU（Data Transfer unit）中發(fā)放證書，key文件安全socket連接；第二種是利用SIM卡發(fā)放證書和key文件，通過模組和SIM的AT指令通道實(shí)現(xiàn)鑒權(quán)握手實(shí)現(xiàn)安全socket連接。

本文中描述的是以SIM為主要SE載體和密鑰分發(fā)介質(zhì)，復(fù)用現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商SIM卡制卡密鑰管理流程體系的方案，以簡(jiǎn)化開發(fā)集成商和客戶安全加密方案的總體實(shí)施成本。并且結(jié)合北京熱力集團(tuán)直供熱水表應(yīng)用詳細(xì)說明了服務(wù)器，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，手機(jī)端三端加密方案的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)說明。

2 建議總體構(gòu)架

（1）如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端設(shè)備接入系統(tǒng)架構(gòu)有4個(gè)主要部分：物聯(lián)網(wǎng)終端、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)安全盾服務(wù)、手機(jī)端等上層應(yīng)用。

圖1 總體邏輯架構(gòu)圖

（2）終端中的SIM卡中集成了SE芯片，SE芯片中的應(yīng)用applet提供終端信息安全相關(guān)能力和加密算法。

（3）設(shè)備SDK封裝了卡的能力和算法接口，為設(shè)備上的應(yīng)用提供調(diào)用服務(wù)，完成加密、認(rèn)證等。

（4）物聯(lián)網(wǎng)安全盾（以下簡(jiǎn)稱物盾）服務(wù)中包括物盾平臺(tái)、手機(jī)盾平臺(tái)及應(yīng)用接入平臺(tái)，物盾平臺(tái)負(fù)責(zé)終端與業(yè)務(wù)平臺(tái)對(duì)接，對(duì)設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)解密，對(duì)業(yè)務(wù)平臺(tái)下發(fā)的控制指令進(jìn)行數(shù)字簽名和指令加密。手機(jī)盾平臺(tái)負(fù)責(zé)手機(jī)盾數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)之間進(jìn)行身份認(rèn)證及數(shù)據(jù)加解密工作。

（5）在設(shè)備接入平臺(tái)端部署集成物盾平臺(tái)的SDK包（HTTP接口），SDK包提供業(yè)務(wù)平臺(tái)與物盾平臺(tái)的安全通信，接入平臺(tái)只需要調(diào)用軟盾本地接口即可使用物盾平臺(tái)的加解密服務(wù)。

（6）在用戶端，用戶應(yīng)用進(jìn)行業(yè)務(wù)操作。應(yīng)用集成集成手機(jī)盾SDK，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密服務(wù)，這樣實(shí)現(xiàn)了設(shè)備、服務(wù)器、手機(jī)三端的完整加密。

3 產(chǎn)品主要功能說明

3.1 應(yīng)用applet

（1）基于SIM卡中的javacos系統(tǒng)。

（2）Applet提供物聯(lián)網(wǎng)終端的所有安全相關(guān)業(yè)務(wù)功能。如簽名驗(yàn)簽，對(duì)稱加解密，非對(duì)稱加解密等功能。

（3）通信模組或設(shè)備MCU通過apdu指令訪問applet應(yīng)用提供的安全業(yè)務(wù)功能。

3.2 設(shè)備SDK

（1）封裝了SIM卡的能力和算法，對(duì)上層設(shè)備應(yīng)用提供API接口。上層應(yīng)用像調(diào)用普通接口一樣調(diào)用SDK接口，由設(shè)備SDK完成和卡的交互。

（2）基于設(shè)備上的操作系統(tǒng)和編譯環(huán)境實(shí)現(xiàn)，可基于不同操作系統(tǒng)和編譯環(huán)境提供不同的設(shè)備SDK版本。

3.3 物盾平臺(tái)SDK（API接口）

（1）物盾平臺(tái)SDK集成在業(yè)務(wù)平臺(tái)中。SDK根據(jù)接入平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)和編程語(yǔ)言提供相應(yīng)的定制版本。

（2）業(yè)務(wù)平臺(tái)通過調(diào)用物盾平臺(tái)API接口使用軟盾的各項(xiàng)安全功能。

（3）SDK提供與物盾平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互，業(yè)務(wù)平臺(tái)需要的安全功能通過SDK與物盾平臺(tái)的進(jìn)行交互，物盾平臺(tái)將結(jié)果通過SDK返回給業(yè)務(wù)平臺(tái)。

3.4 物盾平臺(tái)及手機(jī)盾平臺(tái)

（1）物盾平臺(tái)是一套獨(dú)立的服務(wù)，部署在中國(guó)電信云上，作為安全使能服務(wù)的一部分，主要功能為業(yè)務(wù)平臺(tái)提供安全功能服務(wù)。

（2）物盾平臺(tái)與業(yè)務(wù)平臺(tái)之間通過集成在業(yè)務(wù)平臺(tái)上的物盾平臺(tái)SDK進(jìn)行通信。

（3）手機(jī)盾平臺(tái)也是獨(dú)立的服務(wù)，部署在電信云上，主要應(yīng)用與業(yè)務(wù)平臺(tái)之間進(jìn)行身份認(rèn)證及加解密服務(wù)。

3.5 手機(jī)盾SDK

（1）移動(dòng)應(yīng)用APP集成手機(jī)盾SDK，通過手機(jī)盾SDK提供的接口，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密操作。

（2）移動(dòng)應(yīng)用數(shù)據(jù)提交到應(yīng)用接入平臺(tái)后，應(yīng)用接入平臺(tái)調(diào)用物盾平臺(tái)API接口，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密操作。

3.6 算法說明

業(yè)務(wù)過程中安全業(yè)務(wù)所有算法均采用國(guó)密算法，非對(duì)稱加解密SM2，摘要SM3，對(duì)稱加解密SM4。

4 SIM/UIM卡相關(guān)操作業(yè)務(wù)流程示例

4.1 密鑰初始化

（1）密鑰初始化由兩個(gè)主要流程組成：一個(gè)流程是，SIM卡產(chǎn)線初始化原始對(duì)稱密鑰K1，K1使用第一組0348密鑰進(jìn)行SM3 HASH，取前16個(gè)字節(jié)，并將對(duì)稱密鑰由線下文件的方式發(fā)送給物盾平臺(tái)。另外一個(gè)流程是，模組在注冊(cè)物盾平臺(tái)后，獲取SIM卡的初始化注冊(cè)狀態(tài)，如未初始化注冊(cè)，則啟動(dòng)注冊(cè)流程。

注：線下文件為txt格式，文件每一行格式為：ICCID【20位】K1【32位】。

（2）終端MCU在需要發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候，模組/MCU讀取SIM卡注冊(cè)狀態(tài)，如未注冊(cè)，則模組重新發(fā)起SIM卡初始化注冊(cè)流程。

（3）整個(gè)密鑰初始化流程中，SIM卡出廠時(shí)與物盾平臺(tái)不能在線交互。所以，物盾平臺(tái)【后臺(tái)管理系統(tǒng)】需要增加導(dǎo)入SIM卡ICCID和K1的功能。

注：初始化流程圖中步驟15，參考《北京電信應(yīng)用規(guī)范v1.0（發(fā)布版）.doc》中5.4.3.3章節(jié)。并且模組在此基礎(chǔ)上，增加MEID。步驟17：物盾平臺(tái)與物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)通信，物盾平臺(tái)提供HTTPS服務(wù)。

（4）流程圖2中21為物盾平臺(tái)返回指令到物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)（物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)提供下行指令接口文檔給物盾平臺(tái)）。

（5）物盾平臺(tái)支持10套公私鑰密鑰，對(duì)于單獨(dú)消息加密可以使用圖2流程進(jìn)行注冊(cè)使用。對(duì)于鏈路VPN加密的可以使用圖3流程進(jìn)行注冊(cè)使用。

圖2、圖3為初始化注冊(cè)流程圖，分為NB-IoT加密初始化和VPN初始化流程兩部分。

圖2 NB-IoT密鑰初始化流程

圖3 高速長(zhǎng)連接VPN服務(wù)器初始化密鑰流程

4.2 終端數(shù)據(jù)上傳流程

（1）終端可根據(jù)業(yè)務(wù)需求上傳單條加密數(shù)據(jù)、非加密數(shù)據(jù)、混合數(shù)據(jù)。或者建立VPN連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。上傳單條加密數(shù)據(jù)調(diào)用模組加密并發(fā)送接口，模組處理完加密后直接發(fā)送。上傳非加密單條數(shù)據(jù)調(diào)用模組直接發(fā)送接口，終端不加密直接發(fā)送。上傳混合數(shù)據(jù)調(diào)用模組加密接口，模組將加密數(shù)據(jù)返回給MCU，MCU再組合數(shù)據(jù)后調(diào)用模組直接發(fā)送接口。

（2）建立VPN連接MCU的調(diào)用SDK接口，獲取證書建立VPN連接。

（3）模組在通過SIM卡獲取加密數(shù)據(jù)的時(shí)候分兩個(gè)步驟：一是調(diào)用SIM卡接口獲取業(yè)務(wù)平臺(tái)公鑰P2加密數(shù)據(jù)D’；二是調(diào)用SIM卡獲取D’的MAC和SIM卡簽名。

（4）業(yè)務(wù)平臺(tái)在收到終端的加密數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用業(yè)務(wù)平臺(tái)集成的物盾平臺(tái)SDK接口進(jìn)行解密，SDK連接物盾平臺(tái)進(jìn)行解密。

圖4和圖5為終端上傳數(shù)據(jù)流程圖，分別代表NB和4G SSLVPN流程：

圖4 單條數(shù)據(jù)加密上傳

圖5 VPN連接上傳數(shù)據(jù)

4.3 業(yè)務(wù)平臺(tái)下發(fā)指令流程

（1）業(yè)務(wù)平臺(tái)可向終端下發(fā)加密指令、非加密指令。下發(fā)加密指令業(yè)務(wù)平臺(tái)調(diào)用SDK接口進(jìn)行加密，SDK連接物盾平臺(tái)進(jìn)行加密；下發(fā)非加密指令則直接下發(fā)到終端MCU執(zhí)行。

（2）終端MCU收到加密指令后，調(diào)用SDK指令驗(yàn)證接口驗(yàn)證指令合法性。

（3）物盾平臺(tái)在進(jìn)行指令加密的時(shí)候需要附加幀號(hào)用于防止重放攻擊，在SIM卡和物盾平臺(tái)中針對(duì)每個(gè)設(shè)備都記錄幀號(hào)。SIM卡驗(yàn)證當(dāng)前幀號(hào)小于等于記錄幀號(hào)則指令非法。

（4）如圖6為業(yè)務(wù)平臺(tái)下發(fā)加密指令流程：圖6部分中如果為全秘文消息，則無圖中6、7步驟。

VPN連接下發(fā)數(shù)據(jù)與VPN上行數(shù)據(jù)發(fā)送流程一致可參考圖5，建立連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

5 手機(jī)應(yīng)用APP相關(guān)操作業(yè)務(wù)流程

5.1 手機(jī)盾密鑰初始化

（1）手機(jī)APP注冊(cè)、實(shí)名認(rèn)證后，將賬戶信息導(dǎo)入到手機(jī)盾平臺(tái)服務(wù)端。

（2）手機(jī)APP調(diào)用手機(jī)盾SDK，進(jìn)行密鑰協(xié)同運(yùn)算，計(jì)數(shù)出注冊(cè)用戶公私鑰對(duì)，初始化數(shù)據(jù)對(duì)稱密鑰的過程。

（3）圖7為手機(jī)盾密鑰初始化注冊(cè)流程。

圖7 手機(jī)APP初始手機(jī)密鑰流程

5.2 手機(jī)端加密-業(yè)務(wù)平臺(tái)解密流程

（1）手機(jī)端數(shù)據(jù)向業(yè)務(wù)平臺(tái)提交數(shù)據(jù)時(shí)，首先用手機(jī)盾SDK對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

（2）業(yè)務(wù)平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)后，調(diào)用服務(wù)端手機(jī)盾API接口，對(duì)手機(jī)端提交過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。

（3）業(yè)務(wù)平臺(tái)獲取到手機(jī)端（熱水寶APP）提交的數(shù)據(jù)原文后，再按照業(yè)務(wù)平臺(tái)下發(fā)數(shù)據(jù)指令的流程，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，直到將數(shù)據(jù)寫到UIM卡為止。（后續(xù)流程詳細(xì)參考上一章節(jié)：業(yè)務(wù)平臺(tái)下發(fā)加密指令流程）。

（4）圖8為具體流程。

圖8 手機(jī)端解密業(yè)務(wù)平臺(tái)流程

5.3 業(yè)務(wù)平臺(tái)加密-手機(jī)端解密流程

（1）業(yè)務(wù)平臺(tái)加密，手機(jī)端解密流程。主要是指UIM卡上行數(shù)據(jù)過來后，再使用手機(jī)盾進(jìn)行加密，手機(jī)端大的過程。UIM卡數(shù)據(jù)，根據(jù)終端上傳的業(yè)務(wù)流程圖，將數(shù)據(jù)上傳到業(yè)務(wù)平臺(tái)端（詳細(xì)流程參考上文：終端上傳數(shù)據(jù)流程）。

（2）業(yè)務(wù)平臺(tái)獲取到終端數(shù)據(jù)后，再調(diào)用手機(jī)盾API接口進(jìn)行加密。

（3）手機(jī)端獲取數(shù)據(jù)后，再調(diào)用手機(jī)盾SDK進(jìn)行解密。

（4）詳細(xì)流程圖見圖9。

圖9 業(yè)務(wù)平臺(tái)和手機(jī)端解密流程

6 系統(tǒng)間交互相關(guān)協(xié)議說明

本方案已經(jīng)在某熱力行業(yè)閥控，生活熱水表等應(yīng)用中使用。詳細(xì)SIM密鑰初始化協(xié)議，移遠(yuǎn)BC95，BC28AT指令范例，終端幀格式等詳細(xì)接口可向作者索要。