引用本文
范國林,朱雙寧,金小艷等.基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)安全防護技術(shù)研究[J].通信技術(shù),2020,53(05):1244-1249.
FAN Guo-lin,ZHU Shuang-ning,JIN Xiao-yan，et al.Security Protection Research of IoT Base on NB-IoT[J].Communications Technology,2020,53(05):1244-1249.
NB-IoT技術(shù)以其全覆蓋、低功耗、低成本的明顯優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)功耗大、成本高、覆蓋性差、碎片化、難以規(guī)模應用的缺點,已經(jīng)在遠程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智慧醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)等物聯(lián)網(wǎng)應用場景中應用。但基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)安全隱患對其在眾多領(lǐng)域的應用提出了新的挑戰(zhàn)。
針對面臨的安全威脅，首先分析基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)安全需求，同時提出基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)安全域劃分，并按照安全域的劃分描繪出基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)安全參考模型，最后結(jié)合安全參考模型提出了基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)安全功能架構(gòu)。上述研究對基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)安全防護設(shè)計具有借鑒意義。
NB-IoT（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域基于蜂窩通信的新興技術(shù)，屬于低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)之一，具有低功耗、低成本、長距離、廣連接等優(yōu)勢，適合遠程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智慧醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)等諸多應用領(lǐng)域。
然而，NB-IoT應用環(huán)境具有一定開放性，無線信道易受竊聽和干擾，同時物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存在接入鑒權(quán)、隱私保護、非授權(quán)訪問等安全威脅，并且物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量巨大、種類多、計算能力弱、電池資源受限，傳統(tǒng)的安全防護手段無法部署。目前國內(nèi)很多NB-IoT應用提供商采用“軟防護”推出一些解決方案，但這些方案在終端計算能力普遍較弱的情況下，僅完成數(shù)據(jù)加密的問題，對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全防護作用有限。
因此需要進一步研究基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)安全防護技術(shù)，保障系統(tǒng)安全和正常運行。
1 基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)安全需求分析
由方法論可知，一個系統(tǒng)的需求應是由系統(tǒng)運行時所需各組成部分的需求所構(gòu)成的。典型的NB-IoT應用系統(tǒng)信息實體主要由物聯(lián)網(wǎng)終端、運營商NB-IoT網(wǎng)絡(luò)、IoT平臺，以及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用等四個信息實體組成。
物聯(lián)網(wǎng)終端主要是基于NB-IoT的感知設(shè)備，如NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)終端、NB-IoT智能鎖等；運營商的NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)終端到IoT平臺的通信連接，IoT平臺實現(xiàn)終端連接管理以及上下行數(shù)據(jù)的分發(fā)、處理。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用主要是后臺物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務數(shù)據(jù)匯聚、處理和顯示的系統(tǒng)，如圖1所示。
圖1 典型的NB-IoT應用系統(tǒng)信息實體組成
下面分別對各信息系統(tǒng)實體的安全需求提出如下分析和思考。
（1）物聯(lián)網(wǎng)終端
物聯(lián)網(wǎng)終端處于用戶應用環(huán)境內(nèi)，存在計算與存儲能力有限、無線信道開放且?guī)捳?、能量受限、業(yè)務少量突發(fā)等特點，因此易遭受惡意破壞和信息攻擊，主要的安全威脅包括：關(guān)鍵信息獲取、非授權(quán)訪問、假冒終端節(jié)點、惡意能量消耗、惡意代碼/漏洞攻擊等。
關(guān)鍵信息獲取主要是通過暴力拆解，獲取物聯(lián)網(wǎng)終端存儲器件中存儲的敏感信息，如終端唯一序列號ID、敏感數(shù)據(jù)或通信密鑰等，威脅整個感知層網(wǎng)絡(luò)安全及用戶數(shù)據(jù)安全。
非授權(quán)訪問主要是指非授權(quán)用戶向物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)送控制指令，讓物聯(lián)網(wǎng)終端上報數(shù)據(jù)或者強制執(zhí)行非法操作等，造成敏感數(shù)據(jù)泄露和控制混亂。
假冒終端節(jié)點主要是通過捕獲物聯(lián)網(wǎng)終端向其注入偽代碼，或復制物聯(lián)網(wǎng)終端唯一序列號偽裝為正常物聯(lián)網(wǎng)終端，偵聽干擾其它物聯(lián)網(wǎng)終端正常通信，造成數(shù)據(jù)泄露和系統(tǒng)業(yè)務紊亂。
惡意能量消耗主要是通過不斷向覆蓋區(qū)域內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)送喚醒指令，迫使物聯(lián)網(wǎng)終端連續(xù)工作，持續(xù)消耗電量，導致能量耗盡而無法正常工作。
惡意代碼/漏洞攻擊主要是通過掃描物聯(lián)網(wǎng)終端軟件漏洞，向其注入惡意代碼、木馬、蠕蟲病毒等，導致關(guān)鍵信息泄露，甚至成為僵尸節(jié)點，進而對網(wǎng)絡(luò)發(fā)起DoS攻擊。
（2）NB-IoT網(wǎng)絡(luò)
NB-IoT網(wǎng)絡(luò)為物聯(lián)網(wǎng)終端和IoT平臺或后臺應用提供廣域網(wǎng)絡(luò)連接。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是運營商提供的公共網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務應用與其它行業(yè)或個人業(yè)務共享無線空中信道、C-SGN核心網(wǎng)資源，因此數(shù)據(jù)在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上交互存在傳輸數(shù)據(jù)截獲、數(shù)據(jù)惡意篡改、隱私信息泄露、安全策略沖突等安全威脅。
傳輸數(shù)據(jù)截獲主要是通過偵聽無線空口截獲分析傳輸數(shù)據(jù)，獲取大量敏感信息；通過截獲分析移動通信廣域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，獲取敏感信息，造成物聯(lián)網(wǎng)運營企業(yè)數(shù)據(jù)泄露。
數(shù)據(jù)惡意篡改主要是通過中間人攻擊，對物聯(lián)網(wǎng)終端與RAN之間交互的數(shù)據(jù)進行篡改；通過截獲有線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行篡改。
隱私信息泄露主要是運營商內(nèi)部人員利用運營管理中的漏洞，獲取物聯(lián)網(wǎng)運營企業(yè)和用戶的敏感數(shù)據(jù)，包括用戶身份信息等，造成敏感信息泄露。
安全策略沖突主要是由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合可能導致安全策略設(shè)置上存在沖突，主要體現(xiàn)在運營商網(wǎng)絡(luò)與用戶網(wǎng)絡(luò)之間的安全策略設(shè)置的沖突。
（3）IoT平臺
IoT平臺為終端提供連接管理功能，為后臺應用提供應用支撐功能。大多數(shù)情況下，IoT平臺運行在公有云之上，與其它云租戶共享云基礎(chǔ)設(shè)施；另外，IoT平臺大多直接與互聯(lián)網(wǎng)連接，可能會面臨來自互聯(lián)網(wǎng)的安全威脅。因此主要安全威脅是DDoS攻擊、非授權(quán)訪問、惡意代碼/漏洞攻擊、隱私信息泄露等安全威脅。
DDoS攻擊主要是大量的物聯(lián)網(wǎng)終端一旦被攻擊者利用，可能對IoT平臺發(fā)送大量請求信息（如ICMP、TCP SYN等），造成IoT平臺網(wǎng)絡(luò)的擁堵或者服務不可用。
非授權(quán)訪問主要是非授權(quán)用戶通過應用系統(tǒng)訪問IoT平臺，使用IoT平臺提供的各類服務，執(zhí)行超出權(quán)限范圍的各類操作，包括非授權(quán)遠程讀寫用戶敏感數(shù)據(jù)，遠程執(zhí)行關(guān)鍵操作等。
病毒/漏洞攻擊主要是IoT平臺由大量的軟件系統(tǒng)組成，同時與外部網(wǎng)絡(luò)連接，惡意代碼、木馬、蠕蟲病毒等極易通過網(wǎng)絡(luò)傳播擴散到IoT平臺，造成IoT平臺服務異常甚至癱瘓。
隱私信息泄露主要是內(nèi)部人員利用IoT平臺的管理漏洞，獲取物聯(lián)網(wǎng)運營企業(yè)和用戶的敏感數(shù)據(jù)，包括用戶身份信息等，造成敏感信息泄露。
數(shù)據(jù)意外丟失主要是由于IoT平臺自身的故障、失效，或攻擊行為的發(fā)生，可能導致物聯(lián)網(wǎng)運營企業(yè)運營數(shù)據(jù)的意外丟失、破壞，造成嚴重的損失。
（4）物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用
物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用處于物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)應用環(huán)境內(nèi)，通過有線網(wǎng)絡(luò)與IoT平臺或運營商網(wǎng)絡(luò)連接，從而實現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)交換。主要安全威脅來自于與外部網(wǎng)絡(luò)連接，包括非授權(quán)訪問、惡意代碼/漏洞攻擊、隱私信息泄露等。
非授權(quán)訪問主要是非授權(quán)用戶訪問物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)，執(zhí)行超出權(quán)限范圍的各類操作，包括獲取敏感信息、查詢分析企業(yè)營運數(shù)據(jù)、遠程執(zhí)行非法操作等，造成物聯(lián)網(wǎng)運營企業(yè)的經(jīng)濟損失。
病毒/漏洞攻擊主要是物聯(lián)網(wǎng)應用由一系列的軟件系統(tǒng)組成，通過外部網(wǎng)絡(luò)與IoT平臺連接，因此，容易遭受來自外部網(wǎng)絡(luò)的攻擊和各種惡意代碼、木馬、蠕蟲病毒等侵襲，造成物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)異常甚至癱瘓。
隱私信息泄露主要是內(nèi)部人員利用物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的管理漏洞，獲取運營企業(yè)和用戶的敏感數(shù)據(jù)。
2 基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)研究
2.1 安全域劃分
由方法論中的“自頂向下”設(shè)計原則可知，在獲知安全需求后，首先進行安全區(qū)域劃分，這是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的先決條件。不同的區(qū)域應實施不同的安全防護策略。按照物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的組成，可將系統(tǒng)大致劃分為四個安全域：終端安全域、網(wǎng)絡(luò)安全域、平臺安全域，以及應用安全域。
（1）終端安全域
該域是指智能物聯(lián)網(wǎng)終端所在的終端系統(tǒng)安全域，包括物聯(lián)網(wǎng)終端、智能控制器、通信模組、軟件系統(tǒng)和終端數(shù)據(jù)等等。終端安全域的防護主要由物聯(lián)網(wǎng)運營企業(yè)負責。
（2）網(wǎng)絡(luò)安全域
該域是指連接物聯(lián)網(wǎng)和IoT平臺公共通信網(wǎng)絡(luò)所在的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全域，本文中即指運營商NB-IoT蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，包括NB-IoT的RAN、C-SGN等等。網(wǎng)絡(luò)安全域的組成實體和運行環(huán)境均由網(wǎng)絡(luò)運營商提供，對該安全域的安全防護主要由NB-IoT運營商負責。
（3）平臺安全域
該域是指為終端提供終端連接管理和業(yè)務支撐功能的云端服務系統(tǒng)所在的服務系統(tǒng)安全域，包括云基礎(chǔ)設(shè)施、連接管理平臺、業(yè)務使能平臺等等。平臺安全域的組成實體和運行環(huán)境均由IoT平臺制造商提供，對該安全域的安全防護主要由IoT制造商負責。
（4）應用安全域
該域是指物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的后臺應用所在的應用系統(tǒng)安全域，包括計算基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、應用軟件系統(tǒng)、應用數(shù)據(jù)等等。應用安全域處于物聯(lián)網(wǎng)運營企業(yè)所在應用環(huán)境，對該安全域的安全防護主要由物聯(lián)網(wǎng)運營企業(yè)負責。
在上述四個安全域中，除了網(wǎng)絡(luò)安全域和平臺安全域之外，其它兩個安全域均需要物聯(lián)網(wǎng)運營企業(yè)提供安全防護措施，對終端和應用提供安全保障。
2.2 安全參考模型
基于以上安全域的劃分，將系統(tǒng)中的功能按照所處的位置分別劃分到四個安全域，同時增加安全管理功能實體，實現(xiàn)對基于NB-IoT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全管控，描繪出NB-IoT應用系統(tǒng)安全參考模型，如圖2所示。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)終端應用系統(tǒng)安全參考模型
如圖2所示，模型中定義了八個安全功能組，每一個安全功能組對應了功能實體之間的一組安全功能，解決實體之間信息交互的安全問題。這八個功能組分別是：
（1）終端與后臺應用安全交互功能
為物聯(lián)網(wǎng)終端應用系統(tǒng)提供端到端的業(yè)務安全交互功能，解決應用層面的終端與后臺系統(tǒng)之間信任問題，以及終端與后臺系統(tǒng)之間業(yè)務數(shù)據(jù)交換的機密性和完整性保護問題。
（2）終端與平臺應用安全交互功能
為終端與IoT平臺建立安全連接，提供終端到IoT平臺的數(shù)據(jù)安全傳輸功能，解決終端接入IoT平臺的安全性問題，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詥栴}。
（3）平臺與后臺應用安全交互功能
為后臺應用與IoT平臺建立安全連接，提供后臺應用到IoT平臺的數(shù)據(jù)安全傳輸功能，解決后臺應用訪問IoT平臺的安全性問題，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詥栴}。
（4）終端無線接入安全功能
為終端到運營商網(wǎng)絡(luò)建立安全連接，提供空口的數(shù)據(jù)機密性、完整性保護功能，解決終端接入運營商網(wǎng)絡(luò)的安全性問題，以及空口數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩詥栴}。
（5）運營商網(wǎng)絡(luò)與IoT平臺網(wǎng)絡(luò)安全交互功能
為運營商網(wǎng)絡(luò)到IoT平臺網(wǎng)絡(luò)建立安全連接，提供數(shù)據(jù)機密性、完整性保護功能、網(wǎng)絡(luò)邊界防護功能，解決運營商網(wǎng)絡(luò)與IoT平臺網(wǎng)絡(luò)之間信息交互的安全性問題，以及運營商網(wǎng)絡(luò)、平臺網(wǎng)絡(luò)的訪問控制問題。
（6）平臺網(wǎng)絡(luò)與用戶網(wǎng)絡(luò)安全交互功能
為用戶網(wǎng)絡(luò)到平臺網(wǎng)絡(luò)建立安全連接，提供數(shù)據(jù)機密性、完整性保護功能、網(wǎng)絡(luò)邊界防護功能，解決用戶網(wǎng)絡(luò)與平臺網(wǎng)絡(luò)之間信息交互的安全性問題，以及用戶網(wǎng)絡(luò)、平臺網(wǎng)絡(luò)的訪問控制問題。
（7）終端/應用系統(tǒng)設(shè)備安全功能
為物聯(lián)網(wǎng)終端、應用系統(tǒng)設(shè)備提供安全防護功能，解決終端、應用系統(tǒng)設(shè)備運行環(huán)境安全可信、設(shè)備安全管控等問題。
（8）安全管理功能
為物聯(lián)網(wǎng)終端和后臺應用提供安全管理功能，包括終端、應用系統(tǒng)內(nèi)安全部件的監(jiān)控、密鑰管理、身份管理等功能。
在上述八個功能組中，（1）到（3）是應用安全防護功能，（4）到（6）是網(wǎng)絡(luò)安全防護功能，（7）是設(shè)備安全防護功能，（8）是管理類安全功能。
2.3 安全功能架構(gòu)
根據(jù)系統(tǒng)安全參考模型的八個功能組定義，可將這些功能組分成五類：即應用安全防護功能、網(wǎng)絡(luò)安全防護功能、設(shè)備安全防護功能，以及安全管理功能，同時主要為以上四類提供安全技術(shù)支撐的安全支撐功能，各分類的具體安全防護功能如圖3所示。
圖3 物聯(lián)網(wǎng)終端應用系統(tǒng)安全功能架構(gòu)
如圖3列出了物聯(lián)網(wǎng)終端應用系統(tǒng)的完整安全功能架構(gòu)。
（1）應用安全防護功能
應用安全防護功能主要是保障端到端應用安全、終端與平臺交互安全和平臺與應用交互安全。其中，終端與平臺交互安全和平臺與應用交互安全主要分別依托NB-IoT運營商和IoT平臺提供商提供，而這兩者在安全防護技術(shù)經(jīng)驗方面比較成熟，重點需要解決的是物聯(lián)網(wǎng)終端和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用之前的端到端應用安全。
物聯(lián)網(wǎng)終端的安全防護可以在終端與后臺應用之間采用雙向身份認證機制實現(xiàn)終端與后臺應用的雙向身份鑒別，同時完成會話密鑰協(xié)商，并利用會話密鑰完成業(yè)務數(shù)據(jù)交互過程數(shù)據(jù)的機密性和完整性保護。
端到端應用安全中，身份認證用于物聯(lián)網(wǎng)終端與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用之間實現(xiàn)雙向身份確認和安全會話的建立。防止假冒終端或者后臺應用對真實后臺應用和終端的訪問，確保業(yè)務數(shù)據(jù)交互的主體、客體的可信。同時，物聯(lián)網(wǎng)資源的嚴重受限使得傳統(tǒng)的計算、存儲和通信開銷較大的安全協(xié)議技術(shù)無法應用，因此需要采用輕量級身份認證協(xié)議。
數(shù)據(jù)安全傳輸主要利用密碼技術(shù)，完成業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸過程的機密性和完整性保護。
數(shù)據(jù)安全存儲主要用于敏感數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)終端、物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的安全存儲。
（2）網(wǎng)絡(luò)安全防護功能
網(wǎng)絡(luò)安全防護主要是保障無線接入網(wǎng)絡(luò)安全與傳輸網(wǎng)絡(luò)安全。
無線接入網(wǎng)絡(luò)安全主要依托NB-IoT運營商完成NB-IoT基站與物聯(lián)網(wǎng)終端的雙向接入鑒權(quán)。
傳輸網(wǎng)絡(luò)安全主要是IoT平臺與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用之間的傳輸通道安全，可采用傳統(tǒng)的IPSEC、SSL、AKA等實現(xiàn)安全功能。
（3）設(shè)備安全防護功能
設(shè)備安全防護主要是保障終端/計算平臺安全，主要由OS加固、固件安全、可信計算等技術(shù)實現(xiàn)，用于確保物聯(lián)網(wǎng)終端本地運行環(huán)境的安全。同時，為滿足特定行業(yè)高安全防護要求應用場景，可采用低功耗安全芯片或安全防護模塊等提供相應的安全功能。
（4）安全管理功能
安全管理功能主要是密鑰管理、身份管理、設(shè)備管理、安全審計和用戶管理等。
密鑰管理主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)加解密、簽名驗簽、身份認證等基于密碼算法支撐的技術(shù)中采用的密鑰的產(chǎn)生、分發(fā)、銷毀等全壽命周期管理功能。
身份管理主要基于物聯(lián)網(wǎng)標識體系對物聯(lián)網(wǎng)終端身份進行管理。
設(shè)備管理主要是對各安全管理功能信息實體的參數(shù)配置、狀態(tài)收集等功能的管理。
安全審計主要是對系統(tǒng)中安全行為和事件進行記錄，以便事后進行安全行為追溯。
用戶管理主要是安全系統(tǒng)運維管理人員的賬戶管理和訪問控制功能。對用戶賬戶進行分類管理，對賬戶訪問設(shè)備的權(quán)限進行控制，對在線用戶數(shù)量進行控制。
（5）安全支撐功能
安全支撐包括密碼算法、輕量級身份認證協(xié)議、和數(shù)字簽名等，主要為上述安全功能提供安全技術(shù)支撐。
3 結(jié) 語
本文針對基于NB-IoT技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)各信息系統(tǒng)實體的安全需求進行了深入分析，同時將系統(tǒng)劃分為終端安全域、網(wǎng)絡(luò)安全域、平臺安全域和應用安全域，并提出了安全參考模型和安全功能架構(gòu)。
從基于NB-IoT技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的整體安全角度考慮，網(wǎng)絡(luò)安全域和平臺安全域分別由NB-IoT運營商和IoT平臺提供商負責，這兩者的安全防護技術(shù)經(jīng)驗較為成熟，安全防護手段也較為完善。
因此整個系統(tǒng)安全防護的薄弱點在于物聯(lián)網(wǎng)安全運營企業(yè)，所以本文的研究內(nèi)容對于物聯(lián)網(wǎng)運營企業(yè)在進行物聯(lián)網(wǎng)安全防護設(shè)計時具有一定的參考意義。
作者簡介：
范國林（1983—），男，學士，工程師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信息安全；
朱雙寧（1978—），男，碩士，工程師，主要研究方向為密碼應用研究及工程建設(shè)；
金小艷（1977—），女，學士，工程師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信息安全；
孫寧寧（1979—），女，碩士，工程師，主要研究方向為電路與系統(tǒng)；
王彥玲（1974—），女，學士，工程師，主要研究方向為信息安全。
選自《通信技術(shù)》2020年第五期 （為便于排版，已省去原文參考文獻）
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