物聯(lián)網(wǎng)普遍存在遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊類型多樣化、沒有安全保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)極易被截獲或破解等安全風(fēng)險(xiǎn)，核心問題在于缺乏設(shè)備、服務(wù)提供者、應(yīng)用、數(shù)據(jù)、交易等物的安全認(rèn)證機(jī)制。
因此，有必要建立一種提供認(rèn)證鑒權(quán)和數(shù)據(jù)保護(hù)的方案體系，建立物與物、物與人之間的信任。密碼技術(shù)是解決核心安全問題的基礎(chǔ)理論和技術(shù)，而傳統(tǒng)的證書體系并不適應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，基于商密SM9的算法才是目前物聯(lián)網(wǎng)安全認(rèn)證的最佳選擇。
物聯(lián)網(wǎng)安全平臺依賴商密SM9算法的優(yōu)勢，有效克服了傳統(tǒng)算法中密鑰分發(fā)安全性弱等問題，深入物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)終端與應(yīng)用層面，建立了面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的端到端安全。
物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的信息世界“第三次浪潮”。Forrester預(yù)測其產(chǎn)業(yè)價(jià)值將比互聯(lián)網(wǎng)大30倍，為下一個(gè)萬億美元級業(yè)務(wù)。全球IT研究與顧問咨詢公司Gartner預(yù)測，全球接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備在2020年將增至208億臺。Markets and Markets預(yù)計(jì)2020年全球物聯(lián)網(wǎng)的安全市場為289億美元，年復(fù)合增長率高于30%。
隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)安全問題日益凸顯。根據(jù)Gartner最新發(fā)布的報(bào)告指出，近20%的企業(yè)機(jī)構(gòu)在過去3年內(nèi)至少觀察到一次基于物聯(lián)網(wǎng)的攻擊。中國物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)已位居全球第一，而物聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用處于市場導(dǎo)入期。隨著國家政策及市場培育特別是《工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全防護(hù)指南》的逐步推進(jìn)實(shí)施，3～5年內(nèi)這一市場占比將快速成長，預(yù)估3年后物聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用規(guī)模將超過100億元。
如何解決物聯(lián)網(wǎng)的安全，成為擺在政府監(jiān)管和各類企業(yè)面前的一道難題。因此，推行完整、科學(xué)、規(guī)范化的物聯(lián)網(wǎng)安全平臺已成當(dāng)務(wù)之急。
1 物聯(lián)網(wǎng)安全分析與需求
1.1 與傳統(tǒng)安全的區(qū)別
物聯(lián)網(wǎng)安全與傳統(tǒng)安全區(qū)別的一大特征是設(shè)備數(shù)量龐大，主要表現(xiàn)在：
（1）攻擊的廣泛性：任何一個(gè)設(shè)備都可能成為攻擊的發(fā)起點(diǎn)（DDoS攻擊）；
（2）危害的傳播性：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量級大大增加了危害的傳播廣度；
（3）攻擊的危害性廣泛：破壞信任、破知識產(chǎn)權(quán)、破壞聲譽(yù)，甚至?xí)婕暗饺松戆参＃ㄡt(yī)療植入設(shè)備）；
（4）隱私的多維泄露：攻擊者可以從汽車、家電、智能手機(jī)等多維度獲取用戶的隱私；
（5）設(shè)備的部署環(huán)境：設(shè)備資源受限、缺乏物理保護(hù)、無人值守操作，與物理環(huán)境密切相關(guān)；
（6）部署的隨意性：設(shè)備的使用周期差別較大，有的設(shè)備被遺棄后不再更新升級，卻可能成為攻擊者利用的漏洞。
1.2 安全風(fēng)險(xiǎn)分析
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)主要的安全風(fēng)險(xiǎn)集中在：
（1）缺乏對設(shè)備、服務(wù)提供商、應(yīng)用、數(shù)據(jù)、交易的認(rèn)證鑒權(quán)；
（2）缺乏對數(shù)據(jù)的非否認(rèn)性、數(shù)據(jù)完整性保護(hù)；
（3）缺乏私有密鑰、公鑰密鑰的管理和使用；
（4）缺乏應(yīng)用配置管理和彈性保護(hù)機(jī)制彈性；
（5）缺乏長效監(jiān)督機(jī)制，被遺棄設(shè)備再次接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無法第一時(shí)間進(jìn)行安全升級。
1.3 對安全的需求
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備本身存在功耗低、數(shù)量多、分布廣、種類多的特點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)安全的需求主要在于設(shè)備管理（注冊與發(fā)行）的復(fù)雜性、是否支持密鑰期限自動(dòng)管理、是否支持離線應(yīng)用、易于構(gòu)建運(yùn)營服務(wù)模式、對設(shè)備的管理（設(shè)備的增加和回收、廢棄設(shè)備的管理、分布式認(rèn)證）等因素。因此，物聯(lián)網(wǎng)安全涉及到幾乎所有的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)安全范疇。同時(shí)，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)的異構(gòu)接入、低功耗、傳感控制操作和海量并發(fā)等特征，其安全防護(hù)更是困難。
如何在不同的應(yīng)用場景和平臺需求中提取出物聯(lián)網(wǎng)安全模型并針對性地采用合適的防護(hù)技術(shù)，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。顯然，物聯(lián)網(wǎng)安全不再是一個(gè)簡單的網(wǎng)絡(luò)問題，而是需要一個(gè)可以支持多種設(shè)備和云服務(wù)的敏捷而開放的安全基礎(chǔ)平臺，其核心解決方案是物的安全認(rèn)證技術(shù)。
2 物聯(lián)網(wǎng)的安全認(rèn)證技術(shù)
2.1 基于證書的PKI技術(shù)
公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（Public Key Infrastructure，PKI）以不對稱密鑰加密技術(shù)為基礎(chǔ)，提供一系列支持公開密鑰密碼應(yīng)用（加密與解密、簽名與驗(yàn)證簽名）的基礎(chǔ)服務(wù)。它是申請、受理、制作、頒發(fā)、撤銷、管理證書所涉及到硬件、軟件的綜合，重要元素是數(shù)字證書。
用戶通過申請數(shù)字證書，實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證和信息加密處理，從而為各種交易、活動(dòng)提供安全保障。PKI包括公鑰證書、簽發(fā)證書的機(jī)構(gòu)（Certification Authority，CA）、密鑰管理中心、在線證書狀態(tài)查詢系統(tǒng)、證書撤銷系統(tǒng)等。PKI代表性的算法是SM2（橢圓曲線公鑰密碼算法），主要應(yīng)用在身份證、銀行卡等領(lǐng)域。
2.2 基于標(biāo)識的IBC技術(shù)
基于標(biāo)識的密碼系統(tǒng)（Identity-Based Cryptograph，IBC）是在傳統(tǒng)的PKI基礎(chǔ)上發(fā)展而來，將用戶的唯一標(biāo)識（如手機(jī)號、郵箱地址）用作公鑰，從而幫助用戶不再頻繁申請和交換證書，極大降低了證書和密鑰管理的復(fù)雜性，降低了使用者成本投入。
IBC的基礎(chǔ)技術(shù)包括數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名、數(shù)據(jù)完整性機(jī)制、數(shù)字信封、用戶識別、用戶認(rèn)證等。
兩種技術(shù)的公鑰基礎(chǔ)，如圖1所示。
圖1 兩種技術(shù)的公鑰基礎(chǔ)
中國政府一直重視密碼技術(shù)的國產(chǎn)化。2008年國家密碼管理局頒發(fā)基于標(biāo)識的商密算法型號——SM9，為我國標(biāo)識密碼技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2016年國家密碼管理局正式發(fā)布了SM9密碼算法標(biāo)準(zhǔn)。目前，SM9標(biāo)識密碼算法技術(shù)憑借其技術(shù)優(yōu)勢，在政企單位等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。
2.3 PKI與IBC技術(shù)對比
PKI與IBC技術(shù)對比結(jié)果，如表1所示。
表1 PKI與IBC技術(shù)對比
3 基于SM9算法的物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計(jì)
3.1 物聯(lián)網(wǎng)安全總體框架
在物聯(lián)網(wǎng)安全領(lǐng)域，各大廠商都提出了各自的安全解決方案，典型如阿里巴巴提出的ID2安全方案。國際電聯(lián)GSMA也提出了一整套基于非對稱算法和對稱算法結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)的國際化安全標(biāo)準(zhǔn)，如3GPP TS 33.102、SGP02、SGP05、TS102.225等。
本文的物聯(lián)網(wǎng)安全平臺方案在3GPP的安全標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩方面擴(kuò)展，總體框架如圖2所示。一方面是對國際標(biāo)準(zhǔn)的安全通道協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展，采用了基于標(biāo)識的IBC安全架構(gòu)；另一方面是對密碼算法進(jìn)行擴(kuò)展，使用標(biāo)準(zhǔn)的SM9國密算法，采用經(jīng)過安全認(rèn)證的安全芯片提供加密和認(rèn)證功能。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)安全總體框架
物聯(lián)網(wǎng)安全平臺部署非常靈活，可以與物聯(lián)網(wǎng)云平臺共同部署在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)上，形成公有云服務(wù)。該運(yùn)營商所有接入的設(shè)備都可以使用安全平臺服務(wù)，也可以單獨(dú)部署在使用者處，成為私有云服務(wù)。
物聯(lián)網(wǎng)云平臺為用戶提供Paas云服務(wù)，具有設(shè)備接入、應(yīng)用接入、數(shù)據(jù)集成、二次開發(fā)能力集成、系統(tǒng)維護(hù)等功能，具有采用NB-IoT、Zigbee、藍(lán)牙4.0、WiFi、2G/3G/4G、紅外線等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的智能設(shè)備的通信能力。
安全平臺提供對終端設(shè)備的認(rèn)證，對設(shè)備到物聯(lián)網(wǎng)云平臺的傳輸進(jìn)行端到端加密、傳輸全程加密、可信傳輸與安全通道。物聯(lián)網(wǎng)云平臺收集被加密的終端數(shù)據(jù)保存在云端，并適時(shí)推送到用戶管理系統(tǒng)中。
物聯(lián)網(wǎng)安全平臺內(nèi)嵌基于SM9算法的物聯(lián)網(wǎng)安全模塊，可以解決當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與服務(wù)器之間、設(shè)備與設(shè)備之間互相信任的問題，解決端到端數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)膯栴}，解決仿冒設(shè)備、仿冒指令的問題，解決數(shù)據(jù)加密存儲的問題。
（1）芯片初始授權(quán)。終端芯片在出廠時(shí)會完成初始化，由安全服務(wù)平臺對芯片首次發(fā)行操作完成系統(tǒng)公鑰、ISD、TSD的信息初始化。
（2）終端激活授權(quán)。為確保終端用戶服務(wù)商對智能終端的激活控制，引入了授權(quán)機(jī)制。只有獲取授權(quán)憑證的終端管理系統(tǒng)才能夠?qū)K端進(jìn)行應(yīng)用管理。該功能由安全服務(wù)平臺提供，終端管理系統(tǒng)先向安全服務(wù)平臺申請某一終端的授權(quán)憑證，安全服務(wù)平臺根據(jù)申請的合法性判斷是否返回憑證數(shù)據(jù)。該憑證數(shù)據(jù)具備不可否認(rèn)性。之后終端管理系統(tǒng)基于該授權(quán)憑證進(jìn)行管理系統(tǒng)綁定，進(jìn)而執(zhí)行激活操作。終端綁定管理系統(tǒng)后，被綁定的終端管理系統(tǒng)獲取了終端的管理控制權(quán)，而其他的終端管理系統(tǒng)將無法對該終端進(jìn)行管理操作。
（3）應(yīng)用激活。終端管理系統(tǒng)可以對所轄的終端設(shè)備提供應(yīng)用激活與更新服務(wù)，該操作需由終端發(fā)起。當(dāng)終端發(fā)起管理業(yè)務(wù)查詢時(shí)，終端管理系統(tǒng)根據(jù)該終端的應(yīng)用管理策略，判斷是否需要激活或更新應(yīng)用對應(yīng)的安全域。如需要執(zhí)行，則終端管理系統(tǒng)先生成相應(yīng)的應(yīng)用激活數(shù)據(jù)，然后使用終端的身份標(biāo)識加密信息和系統(tǒng)的用戶私鑰簽名數(shù)據(jù)，確保應(yīng)用激活數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和真實(shí)性。
（4）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報(bào)下發(fā)。上報(bào)由終端發(fā)起，終端eSAM或安全模組提供數(shù)據(jù)封裝功能，執(zhí)行可選的加密和簽名功能；業(yè)務(wù)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后，使用安全服務(wù)平臺提供的數(shù)據(jù)解封功能，執(zhí)行解密和驗(yàn)簽操作。下發(fā)由業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)起，安全服務(wù)平臺提供數(shù)據(jù)封裝功能，執(zhí)行可選的加密和簽名功能；終端接收數(shù)據(jù)后，通過終端eSAM或安全模組對數(shù)據(jù)解密并驗(yàn)證。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)下發(fā)支持單播模式和組播模式。
3.2 安全平臺基礎(chǔ)功能
為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能終端的全生命周期安全管理，安全平臺根據(jù)不同終端生命周期的差異性，劃分為發(fā)行、管理和業(yè)務(wù)3大功能部分，如圖3所示。
圖3 安全平臺功能劃分
安全平臺的發(fā)行部分主要面向安全硬件廠商提供安全發(fā)行服務(wù)，給需要接入平臺的安全硬件發(fā)行個(gè)性化的信息；安全平臺的管理部分主要面向智能終端提供應(yīng)用管理和密鑰分發(fā)服務(wù)；安全平臺的業(yè)務(wù)部分主要面向業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)所需的安全服務(wù)。
基于安全芯片的安全平臺架構(gòu)形成終端注冊、終端管理、業(yè)務(wù)服務(wù)、安全存儲等多環(huán)節(jié)的安全保障體系，構(gòu)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、開放化的物聯(lián)網(wǎng)安全服務(wù)平臺。
3.3 安全平臺方案優(yōu)勢
物聯(lián)網(wǎng)整體角度而言，方案具有如下優(yōu)勢。
（1）適用于物聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用場景，采用適合于物聯(lián)網(wǎng)的加密、認(rèn)證等安全技術(shù)，為智能化改造后的業(yè)務(wù)提供安全保障，有效防范因智能化信息化改造帶來的各類新型安全攻擊；采用新的安全通信技術(shù)，有利于在保障數(shù)據(jù)安全的條件下完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和管理，同時(shí)保持對已有業(yè)務(wù)流程的兼容；
（2）設(shè)備發(fā)行、管理方便，采用新的設(shè)備安全管理技術(shù)，有利于實(shí)施設(shè)備的統(tǒng)一管理；可以實(shí)現(xiàn)eSAM的空中發(fā)行。規(guī)范化的管理流程不僅有利于加強(qiáng)NB設(shè)備管理效能，還有利于NB設(shè)備的生產(chǎn)組織和供應(yīng)。
（3）具有良好的業(yè)務(wù)擴(kuò)展性，可支持多安全域和多安全應(yīng)用，可在解決傳統(tǒng)的抄表難問題的基礎(chǔ)上，為未來應(yīng)用的安全性提供接口，同時(shí)有利于和將來其他的業(yè)務(wù)進(jìn)行在線的智能化數(shù)據(jù)集成。
（4）在NB設(shè)備標(biāo)識不變的情況下，可以使得業(yè)務(wù)系統(tǒng)得到充分拓展；使用低開銷的安全負(fù)擔(dān)對硬件單元進(jìn)行優(yōu)化和集成，有利于降低硬件成本；根據(jù)NB-IoT的協(xié)議特點(diǎn)，有利于利于減少通信量，節(jié)約通信費(fèi)用；有利于降低處理能耗，改善用戶體驗(yàn)。
（5）安全性高，對比傳統(tǒng)的終端系統(tǒng)在提高效益和效率的同時(shí)，面臨的安全威脅更大，安全危害更嚴(yán)重，需要更高的安全防護(hù)能力。本方案有效提高了安全防護(hù)級別。
4 實(shí)際推廣案例
4.1 推廣可行性
物聯(lián)網(wǎng)安全平臺具有靈活的伸縮性，可擴(kuò)展性強(qiáng)，足以支撐當(dāng)前政企、公用事業(yè)所有的智能化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
從產(chǎn)業(yè)鏈看，安全芯片和模組廠商處于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上游，為設(shè)備商提供產(chǎn)品，以產(chǎn)品和解決方案參與中下游系統(tǒng)集成、安全服務(wù)、業(yè)務(wù)咨詢等工作，并參與推動(dòng)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)，可以在產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮重要作用。
從應(yīng)用看，安全平臺有行業(yè)應(yīng)用的全部場景，與電信運(yùn)營商、智能表廠、模組提供商、芯片提供商均有合作前景。自主研發(fā)的安全模組和整體解決方案將領(lǐng)先于公用事業(yè)行業(yè)和民生物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。
從服務(wù)看，除平臺自身外，可增值的服務(wù)還包括專用COS提供、定制應(yīng)用、制卡發(fā)行、安全檢測、技術(shù)咨詢、標(biāo)準(zhǔn)制定等。
4.2 公用事業(yè)案例
根據(jù)國家“十三五”規(guī)劃，通過天然氣進(jìn)口、管網(wǎng)儲備調(diào)峰基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市燃?xì)膺\(yùn)營服務(wù)數(shù)字化改造等一系列的政策推動(dòng)，預(yù)計(jì)2020年天然氣在一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重提升到10%，管網(wǎng)與氣化人口平均年增速10%。目前，天然氣領(lǐng)域已經(jīng)迎來快速發(fā)展的新機(jī)遇。
物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗砭哂懈甙踩?、廣覆蓋、大連接、低功耗和低成本等特點(diǎn)，可以解決傳統(tǒng)智能燃?xì)獗頂?shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、功耗高、抄表成功率低等問題。燃?xì)馕锫?lián)網(wǎng)平臺的安全性將由物聯(lián)網(wǎng)安全平臺提供。民用智能燃?xì)庥?jì)量終端通過安全芯片加密的方式，計(jì)量數(shù)據(jù)由安全平臺加密傳輸給用戶管理系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)。2018年底，物聯(lián)網(wǎng)安全平臺支持新增8萬臺民用燃?xì)庵悄苡?jì)量終端接入安全管理，預(yù)計(jì)2019年底可支持新增30萬臺民用燃?xì)庵悄苡?jì)量終端接入安全管理。2020年底，可再支持新增30萬臺民用燃?xì)庵悄苡?jì)量終端接入安全管理。
如圖4所示，安全能力方面，安全平臺采用了標(biāo)準(zhǔn)的國密算法，提供數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)簽名、身份認(rèn)證等功能，符合燃?xì)庵鞴懿块T的檢測和使用要求，算法實(shí)現(xiàn)性能達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。采用先進(jìn)的基于身份密碼體制實(shí)現(xiàn)了燃?xì)饨K端身份統(tǒng)一認(rèn)證；采用端到端的安全保護(hù)機(jī)制，對上行和下發(fā)的數(shù)據(jù)消息的簽名認(rèn)證、驗(yàn)簽以及數(shù)據(jù)加解密，解決了燃?xì)鈶?yīng)用安全問題，實(shí)現(xiàn)了端到端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信加密和實(shí)體認(rèn)證。
圖4 物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)饨K端安全認(rèn)證
硬件能力方面，安全平臺選用的燃?xì)饨K端安全芯片通過了國密二級、EAL4+等權(quán)威認(rèn)證，從硬件層面有效防止攻擊危害的發(fā)生。
業(yè)務(wù)保護(hù)方面，安全平臺采用多種遠(yuǎn)程管理技術(shù)，如遠(yuǎn)程發(fā)行、應(yīng)用激活、多安全域管理、多應(yīng)用加載等，實(shí)行業(yè)務(wù)級的安全管理；采用的無證書安全機(jī)制，極大程度上適應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境需求，減少了安全交互次數(shù)。
安全平臺的建設(shè)達(dá)到一次建設(shè)長期受益的目的。平臺建設(shè)可以給XX燃?xì)鈳黹L期穩(wěn)定的設(shè)備保密環(huán)境，減少燃?xì)獗碓O(shè)備信息被篡改的風(fēng)險(xiǎn)，極大降低設(shè)備可能存在被攻擊的可能性。同時(shí)，作為平臺的運(yùn)營方，每塊接入安全平臺的設(shè)備都需要支付一定的安全服務(wù)費(fèi)，平臺運(yùn)營方可以長期受益。
5 結(jié) 語
本文研究并實(shí)現(xiàn)了基于商密SM9算法的物聯(lián)網(wǎng)安全平臺。該平臺經(jīng)實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用檢驗(yàn)，具備海量、高并發(fā)、安全可靠的運(yùn)行能力，適用于公用事業(yè)管理、工業(yè)制造、共享經(jīng)濟(jì)、智慧安防等領(lǐng)域。
作者簡介 >>>
楊 平（1977—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)及新技術(shù)研究等；
范蘇洪（1979—），男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)镮T網(wǎng)絡(luò)研發(fā)和規(guī)劃；
朱 艷（1983—），男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息化的規(guī)劃設(shè)計(jì)及新技術(shù)研究。
選自《通信技術(shù)》2020年第三期 （為便于排版，已省去原文參考文獻(xiàn)）
來源：信息安全與通信保密雜志社
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