物聯(lián)網(wǎng)安全--網(wǎng)絡(luò )層安全

5.1概述

?物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )層分為核心網(wǎng)和接入網(wǎng)。

?核心網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)數據傳輸的主要載體，是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )層的骨干和核心。

?接入網(wǎng)則是骨干網(wǎng)絡(luò )到用戶(hù)終端之間的通信網(wǎng)絡(luò )。

無(wú)線(xiàn)近距離接入網(wǎng)（如無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、ZigBee、藍牙）

無(wú)線(xiàn)遠距離接入網(wǎng)（如4G移動(dòng)通信）

其他有線(xiàn)接入方式（如PSTN、ADSL、寬帶、有線(xiàn)電視、現場(chǎng)總線(xiàn)）

5.1.2網(wǎng)絡(luò )層安全需求

（1）業(yè)務(wù)數據在承載網(wǎng)絡(luò )中的傳輸安全

（2）承載網(wǎng)絡(luò )的安全防護

（3）終端及異構網(wǎng)絡(luò )的鑒權認證

（4）異構網(wǎng)絡(luò )下終端的安全接入

（5）物聯(lián)網(wǎng)應用網(wǎng)絡(luò )統一協(xié)議棧需求

（6）大規模終端分布式安全管控

5.1.3網(wǎng)絡(luò )層安全機制

（1）構建物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )等相融合的網(wǎng)絡(luò )安全體系結構

（2）建設物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )安全統一防護平臺

（3）提高物聯(lián)網(wǎng)系統各應用層次之間的安全應用與保障措施

（4）建立全面的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )安全接入與應用訪(fǎng)問(wèn)控制機制

5.2核心網(wǎng)安全

核心網(wǎng)面臨的安全威脅：

（1）核心網(wǎng)要接收來(lái)自海量、集群方式存在的物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)的傳輸信息，很容易導致網(wǎng)絡(luò )擁塞，極易受到DDoS攻擊，這是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )層最常見(jiàn)的攻擊手段

（2）網(wǎng)絡(luò )層存在不同架構的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)互通問(wèn)題，核心網(wǎng)將面臨異構網(wǎng)絡(luò )跨網(wǎng)認證等安全問(wèn)題。涉及密鑰和認證機制的一致性和兼容性，能抵抗DoS攻擊、中間人攻擊、異步攻擊、合謀攻擊等

（3）物聯(lián)網(wǎng)中一些節點(diǎn)不固定，與鄰近節點(diǎn)的通信關(guān)系會(huì )發(fā)生改變，很難為節點(diǎn)建立信任關(guān)系，面臨著(zhù)虛擬節點(diǎn)、虛假路由等攻擊

5.2.2 IPSec安全協(xié)議與VPN

?物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)以TCP/IP協(xié)議為基礎

?在TCP/IP協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議IP提供了互連跨越多個(gè)網(wǎng)絡(luò )終端系統(即跨網(wǎng)互聯(lián))的能力，IP是實(shí)現整個(gè)網(wǎng)際互聯(lián)的核心，在該層加入安全機制是保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò )安全通信的重要手段

?IP層的安全機制稱(chēng)為IPSec，包括了三個(gè)功能域：鑒別、機密性和密鑰管理。

○鑒別機制保證收到的分組確實(shí)是由分組首部的源站地址字段聲明的實(shí)體傳輸過(guò)來(lái)的，該機制還能保證分組在傳輸過(guò)程中沒(méi)有被篡改

○機密性機制使得通信節點(diǎn)可以對報文加密

○密鑰管理機制主要完成密鑰的安全交換

IPSec（IP Security）是IETF于1998年11月公布的IP安全標準，目標是為IPv4和IPv6提供透明的安全服務(wù)。

IPSec通過(guò)對IP協(xié)議的分組進(jìn)行加密和認證來(lái)保護IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議族，用于保證數據的機密性、來(lái)源可靠性、無(wú)連接的完整性并提供抗重播服務(wù)。

?IPSec的優(yōu)點(diǎn)

○由于IPSec位于傳輸層(TCP、UDP)之下，因此對于應用是透明的。所以當在防火墻、路由器或用戶(hù)終端系統上實(shí)現IPSec時(shí)，并不會(huì )對應用程序帶來(lái)任何的改變

○IPSec可以對個(gè)人用戶(hù)提供安全性。這對于不在本地的工作者(如出差)，或者對于一個(gè)組織內部，為敏感的應用建立只有少數人才能使用的虛擬子網(wǎng)是必要的

○IPSec為穿越局域網(wǎng)邊界的通信量提供安全保障，但對于局域網(wǎng)內部的通信，它不會(huì )帶來(lái)任何與安全有關(guān)的處理負荷

○IPSec對終端用戶(hù)是透明的

?IPSec的組成

○Authentication Header（AH，驗證報頭）協(xié)議

定義了認證的應用方法，提供數據源認證和完整性保證

○Encapsulating Security Payload（ESP，封裝安全有效負載）協(xié)議

定義了加密和可選認證的應用方法，提供可靠性保證

○Internet Key Exchange（IKE，密鑰的交換標準）協(xié)議

用于密鑰交換

?IPSec的工作模式

○傳輸模式

傳送模式用來(lái)保護上層協(xié)議，用于兩個(gè)主機之間端對端的通信

○隧道模式

也稱(chēng)通道模式，是用來(lái)保護整個(gè)IP數據報，通常在SA的一端或是兩端都是安全網(wǎng)關(guān)時(shí)使用

?安全關(guān)聯(lián)(Security Association，SA)

為了正確封裝和提取IPsec的數據包，有必要采取一套專(zhuān)門(mén)的方案，將安全服務(wù)、密鑰等與要保護的通信數據聯(lián)系在一起，這樣的構建方案稱(chēng)為安全關(guān)聯(lián)。

SA是發(fā)送者和接收者兩個(gè)IPsec系統之間的一個(gè)單向邏輯連接，若要在一個(gè)對等系統間進(jìn)行源和目的的雙向安全通信，則需要兩個(gè)SA。

安全關(guān)聯(lián)SA通過(guò)一個(gè)三元組（安全參數索引SPI、目的IP地址和安全協(xié)議AH或ESP）來(lái)唯一標識。

?抗重播服務(wù)

IPSec協(xié)議通過(guò)數據包使用一個(gè)序列號和一個(gè)滑動(dòng)的接收窗口實(shí)現抗重播服務(wù)

每個(gè)IPSec頭內，都包含了一個(gè)獨一無(wú)二、且單調遞增的序列號

接收窗口的大小可為大于32的任何值，但推薦為64。從性能考慮，窗口大小最好是最終實(shí)施IPSec的那臺計算機的字長(cháng)度的整數倍

?ESP協(xié)議

ESP的作用是提供機密性保護、有限的流機密性保護、無(wú)連接的完整性保護、數據源認證和抗重放攻擊等安全服務(wù)

ESP支持傳輸模式和隧道模式

ESP可以單獨使用，也可以和AH結合使用。一般ESP不對整個(gè)數據包加密，而是只加密IP包的有效載荷部分，不包括IP頭。但在端對端的隧道通信中，ESP需要對整個(gè)數據包加密

?AH協(xié)議

AH協(xié)議用于為IP數據包提供數據完整性、數據包源地址驗證和一些有限的抗重播服務(wù)

與ESP協(xié)議相比，AH不提供對通信數據的加密服務(wù)，但能比ESP提供更加廣的數據驗證服務(wù)

?IKE協(xié)議

IKE協(xié)議是IPSec目前正式確定的密鑰交換協(xié)議

IKE是一種混合型協(xié)議，由ISAKMP、Oakley和SKEME組成，沿用了ISAKMP的基礎，Oakley的模式以及SKEME的共享和密鑰更新技術(shù)

使用了兩個(gè)交換階段，階段一用于建立IKE SA，階段二利用已建立的IKE SA為IPsec協(xié)商具體的一個(gè)或多個(gè)安全關(guān)聯(lián)，即建立IPsec SA

IKE允許四種認證方法，分別是基于數字簽名的認證、基于公鑰加密的認證、基于修訂的公鑰加密的認證和基于預共享密鑰的認證

?VPN(Virtual Private Network，虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò ))是一種確保遠程網(wǎng)絡(luò )之間能夠安全通信的技術(shù)。

○VPN主要有三個(gè)應用領(lǐng)域：遠程接入網(wǎng)、內聯(lián)網(wǎng)和外聯(lián)網(wǎng)

○VPN的基本功能

加密數據

信息驗證和身份識別

訪(fǎng)問(wèn)控制

地址管理

密鑰管理

多協(xié)議支持

?VPN采用的安全技術(shù)

○隧道技術(shù)

§點(diǎn)到點(diǎn)隧道協(xié)議（PPTP）

§第二層隧道協(xié)議（L2TP）

○加解密技術(shù)

○密鑰管理技術(shù)

○使用者與設備身份認證技術(shù)

○訪(fǎng)問(wèn)控制技術(shù)

5.2.3 6LoWPAN安全

為了讓IPv6協(xié)議在IEEE 802.15.4協(xié)議之上工作，實(shí)現MAC層和網(wǎng)絡(luò )層之間的無(wú)縫連接,提出一個(gè)網(wǎng)絡(luò )適配層-6LoWPAN（（IPv6 over low-power wireless personal area network），用來(lái)完成包頭壓縮、分片、重組和網(wǎng)狀路由轉發(fā)等

1）MAC層安全

必須提供終端節點(diǎn)和數據匯聚點(diǎn)間的安全保證。在MAC層可以引入訪(fǎng)問(wèn)控制、MAC幀加密與解密、幀完整性驗證、身份認證等安全機制,提供點(diǎn)到點(diǎn)的安全通信

2）適配層安全

可能存在的安全問(wèn)題：分片與重組攻擊，報頭壓縮攻擊（如錯誤的壓縮、拒絕服務(wù)攻擊），輕量級組播安全和Mesh路由安全等。目前針對6LoWPAN適配層安全的研究還較少

分片與重組可能出現IP包碎片攻擊，進(jìn)而可能引起DoS攻擊和重播攻擊。應對IP包碎片攻擊的一種方法是：在6LoWPAN適配層增加時(shí)間戳（Timestamp）和現時(shí)（Nonce）選項來(lái)保證收到的數據包是最新的

3）網(wǎng)絡(luò )層安全

在網(wǎng)絡(luò )層采用高級加密標準(AES)和CTR模式加密及CBC-MAC驗證等對稱(chēng)加密算法對大容量數據進(jìn)行加密

4）應用層安全

應用層的安全主要集中在為整個(gè)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò )提供安全支持,即密鑰建立、密鑰傳輸和密鑰管理等；而且應用層要能夠控制下層安全服務(wù)的某些參數

5.2.4 SSL/TLS

?安全套接字層協(xié)議（Secure Socket Layer,SSL）被設計成使用TCP在傳輸層提供一種可靠的端到端的安全服務(wù)，是一種用于基于會(huì )話(huà)的加密和認證的Internet協(xié)議，它在客戶(hù)和服務(wù)器之間提供一個(gè)安全的管道

?SSL工作在傳輸層和應用層之間，與應用層協(xié)議無(wú)關(guān)，應用層數據（HTTP、FTP、TELNET等）可以透明地置于SSL之上

?SSL不是單個(gè)的協(xié)議，而是兩層協(xié)議

?SSL記錄協(xié)議為不同的更高層協(xié)議提供基本的安全服務(wù)。3個(gè)高層協(xié)議(SSL握手協(xié)議、SSL修改密文規程協(xié)議、SSL告警協(xié)議)用于管理SSL交換（一共4個(gè)協(xié)議）

?SSL記錄協(xié)議

SSL記錄協(xié)議為每一個(gè)SSL連接提供以下兩種服務(wù)

機密性(Confidentiality)：SSL記錄協(xié)議會(huì )協(xié)助雙方產(chǎn)生一把共有的密鑰，利用這把密鑰來(lái)對SSL所傳送的數據做傳統式加密。

消息完整性(Message Integrity)：SSL記錄協(xié)議會(huì )協(xié)助雙方產(chǎn)生另一把共有的密鑰，利用這把密鑰來(lái)計算出消息認證碼。

?TLS協(xié)議

提供保密性和數據完整性

該協(xié)議由兩層組成

§TLS記錄協(xié)議

§TLS握手協(xié)議

5.2.5防火墻

?防火墻是設置在不同網(wǎng)絡(luò )（典型地，可信任的企業(yè)內部網(wǎng)絡(luò )和不可信的因特網(wǎng)）間的一系列安全部件的組合

?這組部件具有性質(zhì)：(1)雙向通信必須通過(guò)防火墻；(2)防火墻本身不會(huì )影響信息的流通；(3)只允許本身安全策略授權的通信信息通過(guò)。

?防火墻是一種訪(fǎng)問(wèn)控制機制，用于確定哪些內部服務(wù)對外開(kāi)放，以及允許哪些外部服務(wù)對內部開(kāi)放。

?防火墻是不同網(wǎng)絡(luò )或網(wǎng)絡(luò )安全域之間信息的唯一出入口

?防火墻提供四種控制服務(wù)：

○服務(wù)控制：確定可以訪(fǎng)問(wèn)的因特網(wǎng)服務(wù)的類(lèi)型，包括入站的和出站的。這是因為防火墻可以基于IP地址和TCP端口號對通信量進(jìn)行過(guò)濾

○方向控制：確定特定的服務(wù)請求被允許流動(dòng)的方向，即特定服務(wù)的方向流控制

○用戶(hù)控制：內部用戶(hù)、外部用戶(hù)所需的某種形式的認證機制。根據用戶(hù)試圖訪(fǎng)問(wèn)的服務(wù)來(lái)控制對服務(wù)的訪(fǎng)問(wèn)。典型地用戶(hù)控制防火墻以?xún)鹊挠脩?hù)（本地用戶(hù)）

○行為控制：對特定服務(wù)的使用方式進(jìn)行控制。如防火墻可以過(guò)濾電子郵件來(lái)消除垃圾郵件

?防火墻有3種主要類(lèi)型；不同類(lèi)型的防火墻工作于網(wǎng)絡(luò )的不同層次，以工作于網(wǎng)絡(luò )層的分組過(guò)濾器和工作于應用層的應用級網(wǎng)關(guān)為常見(jiàn)

（1）分組（或包）過(guò)濾器

優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低，對應用透明和高的處理速度

缺點(diǎn)：正確建立分組過(guò)濾規則是一件困難的事（分組過(guò)濾配置較復雜）；無(wú)用戶(hù)使用記錄，不利于分析攻擊行為；攻擊相對容易實(shí)施

（2）應用級網(wǎng)關(guān)（也叫代理服務(wù)器）

優(yōu)點(diǎn)：一般認為比分組過(guò)濾器更安全，因為它只對少數幾個(gè)支持的應用進(jìn)行檢查，從外面只看到代理服務(wù)器，而看不到任何內部資源，而且代理服務(wù)器只允許被代理的服務(wù)通過(guò)

缺點(diǎn)：網(wǎng)關(guān)處于兩個(gè)串接用戶(hù)的中間點(diǎn)，必須在兩個(gè)方向上檢查和轉發(fā)所有通信量，對每個(gè)連接都需要有額外的處理負載，使訪(fǎng)問(wèn)速度變慢；需要針對每一個(gè)特定的Internet服務(wù)安裝相應的代理服務(wù)器軟件，這會(huì )帶來(lái)兼容性問(wèn)題

（3）電路級網(wǎng)關(guān)

優(yōu)點(diǎn)：基于TCP連接代理各種高層會(huì )話(huà)，具有隱藏內部網(wǎng)絡(luò )信息的能力，透明性高

缺點(diǎn)：像電路交換，其對會(huì )話(huà)建立后所傳輸的具體內容不作進(jìn)一步分析，存在一定安全隱患

?防火墻的局限性：

（1）防火墻不能對繞過(guò)它的攻擊進(jìn)行保護（越窗而不逾門(mén))

（2）防火墻不能對內部的威脅提供支持（“家賊難防”）

（3）防火墻不能對病毒感染的程序或文件的傳輸提供保護（不對報文內容進(jìn)行檢查）

(4)防火墻機制難以應用于物聯(lián)網(wǎng)感知層（物聯(lián)網(wǎng)感知層網(wǎng)絡(luò )邊界模糊性）

?在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )層，異構網(wǎng)絡(luò )的信息交換將成為網(wǎng)絡(luò )層安全性的脆弱點(diǎn)。

5.3泛在接入安全

泛在接入網(wǎng)安全包括遠距離無(wú)線(xiàn)接入安全、近距離無(wú)線(xiàn)接入安全

5.3.1遠距離無(wú)線(xiàn)接入安全

?（1）移動(dòng)通信系統面臨的安全威脅

1）對敏感數據的非授權訪(fǎng)問(wèn)（違反機密性）。包括：竊聽(tīng)、偽裝、流量分析、瀏覽、泄漏和推論

2）對敏感數據的非授權操作（違反完整性）。包括消息被入侵者故意篡改、插入、刪除或重放

3）濫用網(wǎng)絡(luò )服務(wù)（導致拒絕服務(wù)或可用性降低）。包括干涉、資源耗盡、優(yōu)先權的誤用和服務(wù)的濫用

4）否認。用戶(hù)或網(wǎng)絡(luò )拒絕承認已執行過(guò)的行為或動(dòng)作。

5）非授權接入服務(wù)。包括入侵者偽裝成合法用戶(hù)或網(wǎng)絡(luò )實(shí)體來(lái)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)；用戶(hù)或網(wǎng)絡(luò )實(shí)體能濫用它們的訪(fǎng)問(wèn)權限來(lái)獲得非授權的訪(fǎng)問(wèn)

?(2)移動(dòng)通信系統的安全特性要求

1）提供用戶(hù)身份機密性

2）實(shí)體認證

3）數據傳輸機密性

4）數據完整性

5）安全的能見(jiàn)度和可配置性

?（3）移動(dòng)通信系統的安全架構

網(wǎng)絡(luò )接入安全

網(wǎng)絡(luò )域安全

用戶(hù)域安全

應用域安全

安全服務(wù)的可視性和可配置性

?（4）認證與密鑰協(xié)商（AKA）

5.3.2近距離無(wú)線(xiàn)接入安全

?1、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)安全

○無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)可用的安全技術(shù)：

（1）物理地址（MAC）過(guò)濾

（2）服務(wù)區標識符（SSID）匹配

（3）有線(xiàn)對等保密（WEP）

（4）WAPI安全機制

（5）IEEE 802.1X EAP認證機制

（6）IEEE 802.11i安全機制

（7）IEEE 802.16d安全機制

?2、無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)安全

○WPAN是以個(gè)人為中心的無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)，實(shí)際上是一個(gè)小范圍、低功率、低速率、低價(jià)格的電纜替代技術(shù)

○無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)目前包括的主流技術(shù)有藍牙、ZigBee、超寬帶（UWB）等

○藍牙的網(wǎng)絡(luò )安全模式

藍牙規定了三種網(wǎng)絡(luò )安全模式：非安全模式、業(yè)務(wù)層安全模式和鏈路層模式

○藍牙的密鑰管理

藍牙安全體系中主要用到3種密鑰：PIN碼、鏈路密鑰和加密密鑰

○ZigBee安全服務(wù)的內容

·訪(fǎng)問(wèn)控制

·數據加密

·數據完整性

·序列抗重播保護

○ZigBee安全服務(wù)的模式

不安全模式

ACL模式

安全模式

○UWB面臨的信息安全威脅，

·拒絕服務(wù)攻擊，UWB網(wǎng)絡(luò )中拒絕服務(wù)攻擊類(lèi)型：MAC層攻擊和網(wǎng)絡(luò )層攻擊

·秘鑰泄露

·假冒攻擊

·路由攻擊

5.4異構網(wǎng)絡(luò )安全

5.4.3異構網(wǎng)絡(luò )的安全機制

○異構網(wǎng)絡(luò )的路由安全

○異構網(wǎng)絡(luò )的接入認證機制

○異構網(wǎng)絡(luò )的入侵檢測機制

○異構網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)信息傳輸安全

5.5路由安全

(1)哄騙、篡改或重放路由信息

(2)選擇性轉發(fā)（selective forwarding）

(3)污水池（sinkhole）攻擊

(4)女巫（sybil）攻擊

(5)蟲(chóng)洞（wormhole）攻擊

(6)Hello洪泛攻擊

(7)應答欺騙

?（1）針對外部攻擊的防御對策

?（2）針對內部攻擊的防御對策

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