物联网信息安全威胁与安全防护策略的实现

◆马艳娟 王和宁

（1.国家计算机网络与信息安全管理中心青海分中心 青海 810000；2.青海省海东市公安局 青海 810600）

狭义上理解，物联网是指物-物互联的网络，即利用信息感知设备（例如射频识别RFID、GPS、激光扫描装置、红外感应装置等）获取物品数据和信息，以互联网为媒介，实现物品的智能识别、定位、跟踪、监控和管理[1]。广义上说，物联网不局限于物-物互联，而是将一切事物数字化、网络化，在物-物之间、人-物之间、人-环境之间实现信息空间与物理空间的充分融合和高效信息交换[2]。物联网的发展和技术更新既带动了经济发展，方便了我们的生活，也存在漏洞、网络攻击、数据安全等亟待解决的多种威胁[3]。因此，本文对物联网信息安全威胁与安全防护策略的实现进行了分析。

1 物联网信息安全威胁与安全需求

1.1 物联网系统架构

物联网一般采用三层架构：由传感器、RFID 等采集数据的设备构成感知层；由信息接入、数据汇聚和核心交换等网络设备构成网络层；由数据分析、计算等管理功能抽象的应用层[4]。三层架构实现了物联网从信息采集、信息传输到信息处理的完整过程，但其面对的信息安全威胁也与三层架构有着密切关系，下面围绕这三层架构进行分析。

1.2 物联网常见信息安全威胁

物联网之所以会面对各种安全威胁，主要原因是系统中存在漏洞，攻击者利用这些漏洞进行攻击和非法入侵，而为了达到攻击目的，攻击者常常借助病毒、木马、恶意软件等手段[5]。例如攻击者使用僵尸病毒，通过自动化脚本组合出物联网终端节点用户名和密码，从而篡改设备配置，使之成为僵尸节点。随着越来越多的终端节点设备被破解，庞大的僵尸网络逐渐形成。根据物联网三层结构特点，各层常见信息安全威胁如图1所示。

图1 物联网信息安全常见威胁

1.3 物联网信息安全需求

根据物联网架构层次特点及威胁来源，信息安全需求主要包括以下几方面：第一，节点安全需求。如图1 显示的情况，节点自身易受到各种攻击，譬如物理攻击、恶意注入、篡改假冒等，因而需加强节点防护措施。第二，数据安全需求。数据采集是物联网感知层的主要功能，攻击者通过窃听、篡改、伪造数据方式进行攻击，所以需对采集的数据加以保护。第三，网络安全服务需求。数据传输是网络层的重要功能，为避免网络拥塞和拒绝服务，故有安全服务需求。第四，轻量高效的安全需求。通常，物联网节点设备的计算能力、存储容量、电池电量等有一定限制，不适合运行复杂、能耗高的安全系统，所以轻量化、能耗低、效率高是基本需求。

2 物联网信息安全防护策略及实现

2.1 物联网信息安全防护策略

第一，感知层安全防护策略。感知层包含各类传感器、RFID、摄像头及多种智能设备，这些设备大小、功能各异，面对的安全威胁也多种多样，故需从硬件、接入、操作系统、应用等多个环节入手，确保硬件安全、接入安全、操作系统安全和应用安全，保证数据不被篡改和未授权获取，防范非法侵入和攻击，保证操作系统升级更新过程安全可控，应用软件行为受到监控。

第二，网络层安全防护策略。物联网采用无线局域网、窄带物联网络、蜂窝移动网络、无线自组网络等多种接入技术，面对的安全威胁也复杂多样，需从身份认证、数据完整性保护、数据传输加密操作、网络通信安全感知等方面进行加强，包括引入身份认证机制、强化终端数据完整性保护、禁止明文传输（即加密处理）、跟踪监控通信网络行为等策略。

第三，应用层安全防护策略。物联网内会产生海量数据，配置大量服务资源，为避免攻克一点而全网崩溃的局面的出现，应采用去中心管理系统，即分布式数据管理系统，同时配置系统加固、漏洞检测、安全审计等功能，强化安全防护能力。对于采用云计算的应用，为防范各种攻击行为，可采取设置安全基线、自动检测、不定期扫描漏洞和系统更新、数据统计分析、安装防病毒软件等策略，并采取业务分级保护措施。

2.2 物联网信息安全防护框架

结合物联网信息安全防护策略，构建应用于多种场景、不同构架层次的防护框架，如图2所示。

图2 物联网信息安全防护框架

感知层安全防护的重点是保护终端设备安全，为此根据防护策略需采取多种防护技术，防御攻击者借助僵尸病毒发起攻击是关键环节。网络层安全防护的重心是保障数据传输安全，其中核心是保障通信的安全，保护通信可采取通信加密和认证的方式。应用层安全防护的重点是保护通信服务器安全，为此可采取异常流量监测和通信协议深度包检测的方式，发现异常及时报警，以防范攻击规模扩大。

2.3 物联网信息安全防护策略的实现

2.3.1 感知层信息安全防护策略的实现

感知层内分布着大量节点终端设备，攻击者主要通过端口扫描和暴力破解方式进行攻击，为实现感知层信息安全防护策略，可从加强端口扫描检测和暴力破解检测做起。检测端口扫描可部署入侵检测系统（IDS），其原理是对节点终端设备收集的数据进行分析，从中发现攻击信息，识别攻击行为，进而判断是否存在入侵行为，有则立即采取措施避免攻击扩大。确定入侵行为后向防火墙报警，防火墙实时阻断端口扫描数据包。

防御暴力破解攻击可利用防火墙工具，通过限制相关服务的登录次数来防御，因为暴力破解需通过大量尝试获得正确的登录用户名和密码，设置登录失败次数的阈值（例如3 次），防火墙就会自动屏蔽攻击者的IP 地址。为避免合法用户因输入错误而被防火墙屏蔽，可采取设置白名单的措施。

2.3.2 网络层信息安全防护策略的实现

网络层信息安全防护可采取通信加密和身份认证策略。现代加密算法有对称加密算法和非对称加密算法之分，前者加密和解密使用同一密钥，后者加密和解密使用不同的密钥。对称加密算法的优点是加解密快速，但用户数量过多时密钥管理负担重，AES、DES 或3DES是典型的对称加密算法。非对称加密算法复杂，安全性高，但相对对称加密算法来说加解密速度比较慢，RSA 是典型的非对称加密算法。

身份认证策略也是基于密码学理论实现的，主要基于数字证书或公钥、身份标识认证，例如基于数字证书的身份认证由发证机构（CA）用私钥对身份信息（用户名、公钥）、证书机构名称、证书有效期进行数字签名，再加上用户身份信息就形成了数字证书。

2.3.3 应用层信息安全防护策略的实现

应用层信息安全防护主要是检测深度包和监测异常流量。深度包检测是对通信协议进行解析和访问控制，拒绝不符合通信协议及特征异常的数据包。监测通信流量的通信系统，一旦发现异常数据包，即报警处理。

3 结语

通常，物联网由感知层、网络层和应用层三层架构组成，各层具有不同的功能与特点，面对的安全威胁也不尽相同。为应对多种安全威胁，提出了物联网节点、数据、网络安全服务、轻量高效等安全需求。针对物联网架构不同层次安全威胁，各层次有其独特的安全防护策略。为实现这些安全防护策略，需构建安全防护框架，并在框架指导下确立各层次安全防护策略的实现方法。