物联网安全

1.1 引言
新兴的物联网 (Internet of Things ， IoT) 被认为是下一代的互联
网。由于物联网中数十亿设备互相连通，它也将成为对黑客极有吸
引力的目标 (Roman et al. ， 2011) 。物联网中的每个物理对象都能够
在没有人干预的情况下进行交互 (Bi et al. ， 2014) 。近年来，物联网
在各种基础设施中的应用都已得到发展，如物流、制造业、医疗保
健、工业监控等 (ITU ， 2013 ； Pretz ， 2013) 。许多尖端技术 ( 如智能
传感器、无线通信、网络、数据分析技术、云计算等 ) 都已被研发出
来以帮助物联网在不同智能系统中充分发挥潜力 (Bi et al. ， 2014 ； Tan
et al. ， 2014) 。然而，物联网技术仍处于初级阶段，还有许多与物联
网相关的技术难题需要攻克 (Li et al. ， 2014c) 。物联网中最显著的一
个技术障碍是安全 (Li et al. ， 2014c) ，它涉及基础设施安全性、通信
简介：物联网安全
网络安全性、应用安全性和一般系统安全性的感知 (Keoh et al. ，
2014) 。为了解决物联网中的安全挑战，我们将基于四层架构分析物
联网中的安全问题。
1.1.1 概述
物联网的概念在 1999 年被首次提出 (Li et al. ， 2014c) ，而其确
切定义仍随着不同视角的变化而改变 (Hepp et al. ， 2007 ； ITU ， 2013 ；
Li et al. ， 2014c ； Pretz ， 2013) 。物联网被认为是未来新一代的互联
网；它集成了不同范围的技术，包括传感、通信、网络、面向服务
的体系结构 (Service-oriented Architecture ， SoA) 和智能信息处理技术
(Council ， 2008 ； Li et al. ， 2014c ； Lim et al. ， 2013) 。然而，它也带
来了一系列严峻挑战，比如安全性、混合网络、智能传感技术等。
其中安全性是最主要的，它从根本上保护着物联网免受攻击和发生
故障 (Roman et al. ， 2011) 。传统意义上，安全意味着密码学、安全
通信和隐私保护。然而，物联网安全囊括更广泛的任务，包括数据
机密性、服务可用性、完整性、反恶意软件、信息完整性、隐私保
护、访问控制等 (Keoh et al. ， 2014) 。
作为一个开放的生态系统，物联网安全与其他研究领域有很多
交集。物联网的多样性使其非常容易受到针对可用性、服务完整
性、安全性和隐私的攻击。在物联网底层 ( 感知层 ) ，传感设备 / 技
术的计算能力和电源供应都非常有限，不能提供很好的安全保
护；在中间层 ( 如网络层、服务层 ) ，物联网非常依赖网络和通信，
易于遭受窃听、拦截和拒绝服务 (Denial of Service ， DoS) 的攻击。
例如，在网络层中，没有集中控制的自组织拓扑容易受到节点复
制、节点抑制、节点假冒等身份认证攻击。而在上层 ( 如应用层 ) ，
数据聚合和加密对改善所有各层的可扩展性和脆弱性问题非常
有用。为了构建值得信赖的物联网，我们需要一个系统级安全分
析和自适应安全策略框架。
1.1.2 前沿进展
物联网是互联网的延伸，通过整合移动网络、互联网、社交网
络和智能设备为用户提供更好的服务或应用 (Cai et al. ， 2014 ； Gu et
al. ， 2014 ； Hoyland et al. ， 2014 ； Kang et al. ， 2014 ； Keoh et al. ， 2014 ；
Li et al. ， 2014a ； Li et al. ， 2014b ； Tao et al. ， 2014 ； Xiao et al. ， 2014 ；
Xu et al. ， 2014a ； Xu et al. ， 2014b ； Yuan Jie et al. ， 2014) 。物联网
的成功取决于各级安全的标准化，它在全球范围内提供安全的互操
作性、兼容性、可靠性和有效性 (Li et al. ， 2014c) 。如今，物联网已
被许多国家认定为国家战略的重中之重。欧洲物联网研究项目组
(IoT European Research Cluster ， IERC) 赞助了许多物联网基础研究项
目： IoT-A 为物联网设计了参考模型和体系结构，而正在进行的
RERUM 项目则着眼于物联网安全 (Floerkemeier et al. ， 2007 ； Gama
et al. ， 2012 ； Welbourne et al. ， 2009) 。日本政府提出了“ u-Japan ”和
“ i-Japan ”的战略，以推进可持续的信息、通信和技术 (Information
Communication and Technology ， ICT) 社会 (Ning ， 2013) 。在美国，信息
技术和创新基金会 (Information Technology and Innovation Foundation ，
ITIF) 则着重于新的物联网信息和通信技术 (He and Xu ， 2012 ； Xu ，
2011) 。韩国则推出了 RFID / USN 和“新 IT 战略”项目，以推进物
联网基础设施的发展 (Xu ， 2011) 。中国政府于 2010 年正式启动了“感
知中国”计划 (Bi et al. ， 2014) 。
从技术上说， 多种多样的网络和通信技术都可被应用于物联网，
例 如 Wi-Fi 、 ZigBee(IEEE 802.15.4) 、 低 能 耗 蓝 牙 (Low Energy
Bluetooth ， BLE) 、 ANT 等。更具体地说，互联网工程任务组 (Internet
Engineering Task Force ， IETF) 已经将基于 IPv6 的低功耗无线个域网
(IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks ， 6LoWPAN) 、
低功耗路由算法 (Routing over Low-power and Lossy-networks ， ROLL)
和受限应用协议 (Constrained Application Protocol ， CoAP) 标准化以
应用于资源受限的设备 (Cai et al. ， 2014 ； Chen et al. 2014 ； Esad-Djou ，
2014 ； Gu et al. ， 2014 ； Hoyland et al. ， 2014 ； HP Company ， 2014 ；
Kang et al. ， 2014 ； Keoh et al. ， 2014 ； Li and Xiong ， 2013 ； Li et al. ，
2014a ； Oppliger ， 2011 ； Raza et al. ， 2013 ； Roe ， 2014 ； Tan et al. ，
2014 ； Wang and Wu ， 2010 ； Xiao et al. ， 2014 ； Xu et al. ， 2014a ， b ；
Yao et al. ， 2013) 。对软件真实性和知识产权保护的担忧产生了各种
各样的软件验证和证明技术，通常称为可信启动 (Trusted Boot) 或可
测启动 (Measured Boot) 。数据的机密性始终是一个主要问题。目前，
相关安全控制机制已被开发，以确保无线通信和移动通信中数据传
输的安全性， 例如 802.11i(WPA2) 或 802.1AE(MACsec) 。 最近， Raza et
al. (2012) 中报道了 RFID 市场的安全标准。对于 RFID 应用，欧盟委
员会 (European Commission ， EC) 已经发布了一些建议，以合法、道
德、社会可接受的方式概述以下安全问题 (Di Pietro et al. ， 2014 ；
Esad-Djou ， 2014 ； Furnell ， 2007 ； Gaur ， 2013 ； HP Company ， 2014 ；
Raza et al. ， 2012 ； Roe ， 2014 ； Roman et al. ， 2013 ； Weber ， 2013) ：
● 衡量 RFID 应用的部署，以确保国家立法符合欧盟数据保护
指令 (EU Data Protection Directive)95/46 、 99/5 和 2002/58 。
● 提出评估隐私和数据保护影响的框架 (PIA ； No.4) 。
● 评估个人资料和隐私保护申请实施的影响 (No.5) 。
● 识别可能引发信息安全威胁的任何应用程序。
● 检查信息。
● 发布有关隐私信息的建议和 RFID 使用的透明度。
但对于物联网来说，安全问题仍然是一个具有挑战性的领域。
物联网中可能连接数十亿台设备，我们仍需要精心设计安全架构来
充分保护信息并使数据在物联网上安全共享。
物联网应用层出不穷，而这将带来新的安全挑战。例如：
● 产业安全问题。包括智能传感器、嵌入式可编程逻辑控制器
(Programmable Logic Controller ， PLC) 、机器人系统等，而
它们通常会与物联网基础设施集成在一起。物联网产业基础
设施的安全控制是一个大问题。
● 混合系统安全控制。物联网可能涉及很多混合系统，如何提
供跨系统的安全保护对于物联网的成功至关重要。
● 对于在物联网中创建的新业务流程，需要保护业务信息和
数据。
● 物联网终端节点的安全性。如何使终端节点及时接收软件更
新或安全补丁，而不影响功能安全性是一个挑战。
1.1.3 安全需求
在物联网中，每个连接的设备都可能成为物联网基础设施或个
人数据的潜在入口 (HP 公司， 2014 ； Roe ， 2014) 。数据安全和隐私
问题非常重要，但由于互操作性、混搭和自主决策性导致了系统的
复杂性、安全漏洞和潜在漏洞，与物联网相关的潜在风险也因而达到
一个新的级别。因为复杂系统可能会造成更多与服务有关的漏洞，隐
私风险也将在物联网中出现。在物联网中，许多信息与我们的个人信
息有关，如出生日期、地点、预算等。这是大数据挑战的一个方面，
安全专家需要确保他们能考虑到整个数据集的潜在隐私风险。物联网
应以合法、道德、社会可接受的方式实施，同时考虑到法律挑战、系
统方法、技术挑战和业务挑战。本章重点介绍安全物联网架构的技术
实现设计。在整个物联网生命周期中，从初始设计到运行服务都必须
解决安全问题。如图 1-1 所示，物联网场景中的主要研究挑战包括数
据机密性、隐私性和信任 (Di Pietro et al. ， 2014 ； Furnell ， 2007 ； Gaur ，
2013 ； Miorandi et al. ， 2012 ； Roman et al. ， 2013 ； Weber ， 2013) 。

图 1-1 物联网中的安全问题

为更好地说明物联网的安全需求，我们将物联网建模为四层体
系结构：感知层、网络层、服务层和应用接口层。每一层都能够提
供相应的安全控制，如访问控制、设备认证、数据完整性和传输机
密性、可用性以及防病毒或攻击的能力。在表 1-1 中，我们总结了
物联网中最重要的安全问题。
表 1-1 物联网中最脆弱的十大环节

安全需求取决于每个具体的感知技术、网络和层级，下面会逐
一讨论。
1.2 物联网架构中的安全需求
物联网的一个关键要求是设备必须互相连接，这使得它能够执
行特定的任务，如感知、通信、信息处理等。物联网能通过网络获
取、传输和处理物联网终端节点 ( 如 RFID 设备、传感器、网关、智
能设备等 ) 发出的信息，完成高度复杂的任务。物联网应能为应用程
序提供强大的安全保护 ( 例如，对于在线支付应用程序，物联网应能
保护支付信息的完整性 ) 。
物联网系统架构必须能为物联网提供运营保障，成为物理
设备和虚拟世界之间的桥梁。在设计物联网框架时，应考虑以下
因素：
(1) 技术因素，如传感技术、通信方式、网络技术等；
(2) 安全保护，如信息的机密性、传输的安全性、隐私保护等；
(3) 业务问题，如业务模型、业务流程等。
目前，面向服务的体系结构 (SoA) 已经成功应用于物联网设计，
应用正朝面向服务的集成技术发展。在商业领域，各种服务之间的
复杂应用已经出现。这些服务位于物联网的不同层面，如感知层、
网络层、服务层和应用接口层。基于服务的应用将很大程度上取决
于物联网的架构。图 1-2 描绘了一个通用的物联网 SoA ，它由四层
组成。

● 感知层与物联网终端组件集成，感知和获取设备信息。
● 网络层是支持设备间无线或有线连接的基础设施。
● 服务层用来提供并管理用户或应用程序所需的服务。
● 应用接口层由与用户或应用程序之间交互的方法组成。
基于每层特点，各层的安全需求可能会有所不同。一般来说，
物联网的安全解决方案应考虑以下需求：
(1) 感知层和物联网终端节点安全需求；
(2) 网络层安全需求；

(3) 服务层安全需求；
(4) 应用接口层安全需求；
(5) 各层之间的安全需求；
(6) 服务运行和维护的安全需求。
1.3 物联网应用中的安全问题
物联网使设备可在各种场景下进行信息收集、传输和存储，从
而催生或催化许多应用，如工业控制系统、零售业、智能货架业务、
医疗保健、食品和餐饮业、物流工业、旅游和旅游业、图书馆应用
等。还可以预见，物联网将为解决商业模式、医疗监控系统、日常
生活监控和交通拥塞控制等重要问题做出巨大贡献。
对于物联网应用来说，安全和隐私是两个重要的挑战。为确保
个人活动、业务流程、传输和信息保护等各种活动中的安全和隐私
保护，要将感知层设备融合为物联网的固有组成部分，有效的安全
技术非常重要。在本节中，我们将重点关注以下五个经典应用，以
解决潜在的安全挑战。
1.3.1 SCADA 系统中的安全问题
数据采集与监视控制系统 (Supervisory Control And Data Acquisition ，
SCADA) 通常被设计为以技术为导向的解决方案，经常在工业环境
中广泛应用。其唯一目的是监视进程，而不考虑安全要求和保护它
们免受外部威胁的需求。 SCADA 系统被认为在物联网工业应用中
发挥了巨大作用 (Di Pietro et al. ， 2014) 。一个 SCADA 可以包含多个
元素：监控系统、可编程逻辑控制器 (PLC) 、人机接口、远程机器遥
测单元、通信基础设施以及各种流程和分析仪器。从安全角度来看，
攻击者可以针对上述每一个元素来威胁一个 SCADA 系统。为了确
保将 SCADA 系统集成到物联网中，安全 SCADA 协议的设计应使
其能够与物联网环境相连接。然而，这可能会引起以下安全问题
(Bamforth ， 2014 ； Kim ， 2012 ； Perna ， 2013) 。
● 认证和访问控制：为了确保安全通信，必须在允许访问主要
功能前执行强认证。另一方面，认证和访问控制可以很好地
识别和评估信息源。
● SCADA 漏洞识别：采取适当的对策和纠正措施是十分重要
的，所以应定期更新 SCADA 中的软件以解决安全漏洞。
● 物理安全：在 SCADA 中，必须仔细评估每个组件的物理安
全保护，并且每个组件都应符合美国联邦信息处理标准
(NIST FIPS) 。
● 系统恢复和备份： SCADA 应被设计为可快速从灾难或受威
胁状态中恢复。
1.3.2 企业信息系统中的安全问题
在过去的二十年里，大多数公司已经完成了在公司内安装企业
信息系统的任务。这些企业信息系统在企业资源规划 (Enterprise
Resource Planning ， ERP) 系统中扮演关键角色，它们将组织内的业
务流程集成到供应链管理系统中，而这些管理系统将组织间的业务
流程和客户关系管理 (Customer Relationship Management ， CRM) 系
统联系在一起 (Li ， 2011) 。尽管依据一系列调查企业系统使用情况和
组织绩效的研究，企业系统的使用带来的直接经济效益和业务绩效
仍然存在争议 (Hendricks et al. ， 2007 ； Hitt et al. ， 2002 ； Wieder et al. ，
2006) ， 但大多数报告仍表明企业系统的使用通过改进决策过程对组
织运营产生了积极影响，而其中最重要的是，它将组织的信息和资
源整合到了一个系统中。集中信息和资源因此被确定为采用企业系
统的最重要因素。回顾历史，推动企业制度发展的浪潮是技术创新。
服务器和个人电脑在过去的二十年中不断增长的处理能力使得企
业系统的客户端 / 服务器架构成为可能。可以预见的是，提高后的
处理能力将普及至如 RFID 标签等小型嵌入式设备，而这些嵌入式
设备可以在许多物理对象中广泛应用，从而形成新型的支持物联
网的企业系统。支持物联网的新企业系统是现有系统的扩展，可
以收集更多的综合数据和信息，也将安全挑战提高到一个新的级
别。由于大多数企业系统安装在企业的内部网中，企业系统的传统
安全问题主要涉及用户访问系统的身份识别过程 (Wieder et al. ，
2006) ，但是支持物联网的企业系统将传感器整合进来，这使得它
与传统企业系统相比将面临更多的安全挑战， 因为传感器承载的数
据和信息可能超出企业系统的物理承受能力。例如，采用物联网技
术实现的协作仓库从 ERP 系统外部的仓库收集数据， 并通过不同协
议与 ERP 系统通信 (Wang et al. ， 2013) 。这种企业系统的新架构需要
将安全问题更多地放在感知层和中间件层上， 因为这两个层面都可
能存在数据泄露问题。对于可能使物联网应用与企业系统交互的应
用层，则要特别注意身份认证和应用架构，因为它会比其他层更加
脆弱。
1.3.3 社交物联网中的安全问题
社交物联网是物联网应用在社会层面的传播和扩散。与许多其
他社交化技术类似，物联网在社会层面也发挥了重要作用，它会影
响我们生活的每个部分，从娱乐到能源使用。例如，可穿戴设备 ( 如
Google 眼镜 ) 在可预见的未来将会非常流行，流行的 Jawbone UP 手
环已经证明了可穿戴设备的普及程度。其他应用，如智能电视、智
能电表和智能家居设备都意味着物联网将开启一个新的数字世界。
如同智能网联汽车和其他许多智能设备正兴起一样，物联网将使我
们的世界更加连通 (Atzori et al. ， 2012) 。然而，单靠物联网技术无法
完成这个任务，其他技术也必须考虑进来以完成这个整合的过程。
社交媒体和移动应用在这个物联网部分的社会化过程中扮演了关键
角色。未来，可以看到我们所有人都将通过社交网络和社交物联网
设备连接起来。安全会是社交物联网的重要组成部分。随着我们进
入一个由物联网支持的新型数字世界，与以前的互联网安全相比，
这个数字世界中的安全问题是一个全新挑战。以前的互联网安全主
要集中在安全协议、防病毒软件实施和防火墙上，社交物联网安全
与其有一定的相似之处，即它们都具有安全协议。但社交物联网安
全可能涉及更复杂的问题，因为社交物联网需要将异构装置集成在
一起，而如何管理这些异构设备之间的交互将成为社交物联网安全
的首要问题。通过物联网传输的数据和信息需要通过可靠的框架进
行管理。诸如隐私、数据访问权限、数据的开放程度等道德问题都
将对社交物联网的安全架构如何构建产生影响。当越来越多的设备
连接在一起时，社交物联网上的数据流量也将成为一个大问题，如
何有效地设计流量以使社交物联网上的数据能以可靠的方式安全传
输也将成为一项挑战。
1.3.4 基于物联网的医疗保健系统的保密性和安全性
物联网促进电子医疗和移动医疗融合到基于物联网的医疗保健
中， 而基于物联网的医疗保健已涵盖传统的互联网医疗保健应用 ( 如
电子药房、电子护理、移动医疗保健等 ) 。与社交物联网安全类似，
医疗保健物联网安全将涉及在互联网和不断发展的物联网上分布的
多源数据和信息的整合。由于医疗保健是一个高度敏感且私人化的
领域，处理着来自患者 ( 特别是弱势群体 ) 的许多私人信息，所以其
安全设计应该比其他物联网更受重视。出于这个原因，数据机密性
和数据安全性可能成为设计医疗安全架构时要考虑的最重要因素。
其他因素，如可靠性 ( 反黑客、防病毒等 ) 、设计问题 ( 如签名、认证
等 ) 以及合规问题也应仔细考虑。除以上因素外，医疗保健的安全性
还与其他行业的有所不同，其特点是：
● 没有双边条件；
● 受到管制；
● 对社区有益；
● 存在法律问题。
出于这些原因，医疗安全系统的设计应采用更可靠的方法。目
前的医疗专用安全标准包括以下四个部分：
● 身份认证、身份识别、签名、不可抵赖性；
● 数据完整性、加密、数据完整性过程、持久性；
● 系统安全、通信、处理、存储、永久性；
● 互联网安全、个人健康档案、受保护的互联网服务。
在基于物联网的医疗保健系统中，安全问题包括：
● 病人保密信息的安全性；
● 电子健康记录的安全性 ( 认证、数据完整性 ) ；
● 传输安全性；
● 在医疗数据访问、处理、存储等方面的安全性。
1.4 本章小结
物理设备和服务应用的安全性对物联网的成功运转至关重要、
不可或缺。在安全与隐私保护、网络协议、标准化、身份管理、可
信体系结构等方面仍存在一些开放性问题。本章从通用设备安全性、
通信安全性、网络安全性和应用程序安全性等方面分析了四层体系
结构中的安全需求和潜在威胁，对物联网使能技术的安全挑战也进
行了回顾。在未来的研究中，我们应该通过权衡安全、隐私和效果
等多方面因素来精心设计物联网的安全策略，以提供物联网多层架
构的安全性。

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