智能電路環(huán)境下ZigBee 技術(shù)及其安全性研究

智能電路是以物理電路為基礎，集成了先進(jìn)的傳感量測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、通信技術(shù)、分析決策技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)與能源動(dòng)力技術(shù)的新型現代化電路。智能電路具有堅強、自愈、兼容、經(jīng)濟、集成和優(yōu)化等特征，能夠實(shí)現對電路所有設備的狀態(tài)進(jìn)行監測和控制，實(shí)現自適應和自愈以及發(fā)電、輸配電和用電之間的優(yōu)化平衡，使得電力系統更加清潔、高效、安全、可靠。

ZigBee 是一種低功率、低傳輸速率、短距離的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它基于面向無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的標準IEEE 802.15.4,可以被廣泛運用于工業(yè)控制、建筑自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、衛生保健和遠程控制等領(lǐng)域。在電力系統自動(dòng)化中，ZigBee技術(shù)可運用于遠程抄表、電力系統監控、電力參數量測等方面，ZigBee技術(shù)可以提高電力系統監控的效率以及系統的可靠性。

在眾多應用中，對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的安全性有著(zhù)很高的要求，安全問(wèn)題是限制無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的重要因素之一。同樣，將ZigBee技術(shù)應用于智能電路時(shí)，必須要考慮到其安全性問(wèn)題。

1 ZigBee 技術(shù)

ZigBee 是一種新型無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其依據IEEE 802.15.4 標準，在成百上千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調實(shí)現通信，這些傳感器所需的能量較少，通信以單跳的方式進(jìn)行，以無(wú)線(xiàn)電波為載體將數據從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，具有非常高的通信效率。ZigBee技術(shù)具有低功率、低傳輸速率、低時(shí)延、自組織、網(wǎng)絡(luò )容量大、高安全性等特點(diǎn)，比較適合于承載數據流量較小的業(yè)務(wù)，目前ZigBee技術(shù)主要被應用于自動(dòng)控制、傳感和遠程控制領(lǐng)域。

一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )定義了兩種類(lèi)型的設備：全功能設備(FFD)和簡(jiǎn)化功能設備(RFD)。ZigBee的全功能設備又稱(chēng)為主設備，可以與網(wǎng)絡(luò )中任何類(lèi)型的設備進(jìn)行通信，承擔網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者的工作，這類(lèi)設備主要包括ZigBee協(xié)調器、ZigBee路由和部分ZigBee終端;簡(jiǎn)化功能設備又稱(chēng)為從設備，不能作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者，只能與主設備進(jìn)行通信，這類(lèi)設備主要為ZigBee終端。ZigBee協(xié)調器在網(wǎng)絡(luò )中可作為匯聚節點(diǎn)，它具有比網(wǎng)絡(luò )中其他節點(diǎn)更強大的功能，在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )中只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調器，作為網(wǎng)絡(luò )的主控節點(diǎn)，其主要負責啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò );ZigBee路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設備，主要負責路由發(fā)現、消息轉發(fā)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中可以包含多個(gè)ZigBee路由器，它們能夠將消息轉發(fā)到其他設備之上，通過(guò)連接其他節點(diǎn)可以擴展網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍。ZigBee終端設備需通過(guò)ZigBee協(xié)調器或ZigBee路由器連接到網(wǎng)絡(luò )之中，可以執行相關(guān)的功能，并將數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到需要與之通信的設備，但是任何節點(diǎn)都不能通過(guò)ZigBee終端設備接入到網(wǎng)絡(luò )之中。

ZigBee共支持三種類(lèi)型的自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，分別為星型網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò )和簇型網(wǎng)絡(luò )，各類(lèi)型網(wǎng)絡(luò )的示意圖如圖1所示。

2 ZigBee 技術(shù)在智能電路中的應用場(chǎng)景

在智能電路中，ZigBee技術(shù)可以用于遠程抄表、家域網(wǎng)、電力資產(chǎn)管理和電力設施監測與定位等諸多領(lǐng)域，其中家域網(wǎng)是一個(gè)典型的應用場(chǎng)景。家域網(wǎng)(Home Area Network,HAN)是智能電路中高級量測體系(AMI)的組成部分。AMI是一個(gè)用于量測、采集、存儲、分析和處理用戶(hù)用電信息的完整網(wǎng)絡(luò )系統，主要由安裝在用戶(hù)端的智能電表、家域網(wǎng)、電力公司端的數據管理系統和它們之間的通信系統組成[6].AMI將用戶(hù)和臨近的電力公司相連，被認為是將智能電路概念實(shí)體化的第一步。HAN網(wǎng)關(guān)和數據中心之間的通信網(wǎng)絡(luò )可以使用電力通信線(xiàn)(PLC)、數字微波通信、SDH 光纖、ASON 網(wǎng)絡(luò )、GPRS/CDMA、衛星通信或其他通信方式。

但作為智能電路的“最后一英里”,ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)可以被用于構建一個(gè)完整的AMI系統。

通過(guò)ZigBee技術(shù)，智能電表、能源網(wǎng)關(guān)和其他家用電器被緊密連接起來(lái)，建立起家庭中的一個(gè)能源管理系統。智能電路的AMI中基于ZigBee技術(shù)的HAN的特征和優(yōu)點(diǎn)如下：提供需求響應和載荷控制的能力;為分時(shí)計價(jià)提供機制;為家庭用戶(hù)和電力公司提供可靠的信息連接;提供實(shí)時(shí)用能信息;允許分項量測中電表與電表之間的通信;為整個(gè)家庭環(huán)境提供遠程監控。這些特征和優(yōu)點(diǎn)不僅可以降低電路的峰值載荷，而且能夠幫助家庭用戶(hù)合理決策自己的用能情況。

3 ZigBee 安全技術(shù)

3.1 ZigBee安全架構

ZigBee 技術(shù)基于IEEE 802.15.4 無(wú)線(xiàn)標準，IEEE 802.15.4 標準定義了兩個(gè)層次，物理層(PHY)和媒體接入控制層(MAC)。ZigBee在這兩層的基礎上又定義了網(wǎng)絡(luò )層(NWK)和應用層(APL)。物理層提供基本的無(wú)線(xiàn)通信能力，媒體接入控制層為設備之間提供可靠的、單跳的通信鏈接服務(wù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò )層為不同網(wǎng)絡(luò )拓撲結構提供所需要的路由服務(wù)和多跳通信功能。

ZigBee的應用層包含了一個(gè)應用支持子層(APS)，一個(gè)ZigBee 設備對象(ZDO)和應用。ZDO 負責對整個(gè)設備進(jìn)行管理，應用支持子層提供了服務(wù)Z(yǔ)DO 和ZigBee 應用的基礎。媒體接入控制層、網(wǎng)絡(luò )層和應用支持子層負責其各自層面上數據的安全傳輸，應用支持子層提供安全關(guān)系的建立和維護的服務(wù)，ZDO負責對安全策略和設別的安全配置進(jìn)行管理。ZigBee 的安全架構如圖2所示。

3.1.1 媒體接入控制層安全

媒體接入控制子層的數據幀共有四種類(lèi)型：命令幀、信標幀、確認幀和數據幀，使用AES算法保證這些數據幀的保密性、完整性和可靠性。MAC幀頭的字節可表明此MAC幀是否加密，每個(gè)密鑰只能用于為一個(gè)數據包進(jìn)行加密。為了保證數據的完整性，MAC層計算幀頭和載荷的數據用于產(chǎn)生一個(gè)長(cháng)度為4 B,8 B或16 B的消息完整性編碼。同時(shí)，每個(gè)MAC 幀的幀頭有一個(gè)幀號用于防止幀被丟失或重傳。密鑰的建立、安全操作模式的選擇和處理過(guò)程的控制等在更高的層中進(jìn)行解決。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò )層安全

網(wǎng)絡(luò )層的一個(gè)責任是將消息以多跳的方式進(jìn)行傳播。作為這個(gè)責任的一部分，網(wǎng)絡(luò )層將廣播路由請求消息并處理接收到的路由響應消息。路由請求消息被同時(shí)廣播到臨近的設備，同時(shí)從臨近設備獲得路由響應消息。如果鏈接密鑰可用，網(wǎng)絡(luò )層則通過(guò)鏈接密鑰來(lái)加密發(fā)出的數據幀，如果鏈接密鑰不可用，為了保證消息的安全，網(wǎng)絡(luò )層將通過(guò)有效的網(wǎng)絡(luò )密鑰來(lái)加密發(fā)出的數據幀，使用有效的或備用的網(wǎng)絡(luò )密鑰來(lái)加密收到的數據幀。在這個(gè)方案中，數據幀的接收者能夠推斷出使用哪個(gè)密鑰來(lái)處理一個(gè)接收到的數據幀并判定這個(gè)消息是否對于所有網(wǎng)絡(luò )設備都是可讀的，而不是只有對其自身可讀，因為數據幀的格式明確指出用于保護幀的密鑰類(lèi)型。

3.1.3 應用層安全

在應用層，可以使用鏈接密鑰或網(wǎng)絡(luò )密鑰進(jìn)行加密。應用層的另一個(gè)安全責任是為應用以及ZDO提供密鑰建立、密鑰傳輸和設備管理服務(wù)。應用層為那些需要安全傳輸的發(fā)出的數據幀、需要安全接收的接收到的數據幀以及需要安全建立和管理密鑰的處理步驟負責。密鑰的建立是在兩個(gè)設備之間進(jìn)行的，共包括暫時(shí)數據交換、共享密鑰生成、鏈接密鑰獲得和鏈接密鑰確認四個(gè)步驟;密鑰傳輸服務(wù)在設備之間安全傳輸密鑰;設備管理服務(wù)包括更新和移除設備。其中，更新設備服務(wù)通過(guò)一種安全的方式通知其他設備存在第三方設備需要更新，移除設備是通知有不滿(mǎn)足安全需要的設備需要被刪除。

3.2 安全密鑰

3.2.1 密鑰類(lèi)型

在數據加密過(guò)程中，ZigBee技術(shù)使用三種類(lèi)型的密鑰，分別是：主密鑰、鏈接密鑰和網(wǎng)絡(luò )密鑰[9].主密鑰可以在設備出廠(chǎng)時(shí)預裝、由信任中心設定或是基于用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的數據等方式獲得，例如：個(gè)人識別碼(PN)，密碼和口令等。主密鑰是兩個(gè)設備之間進(jìn)行安全通信的基礎，也可被當成一般的鏈接密鑰使用。必須保持主密鑰的保密性和精確性，在網(wǎng)絡(luò )傳輸之中，主密鑰可以防止數據被竊聽(tīng)。鏈接密鑰在網(wǎng)絡(luò )中的兩個(gè)設備之間共享，可由主密鑰建立，也可由預裝的方式獲得。網(wǎng)絡(luò )密鑰可由信任中心設定或以預裝的方式獲得，可被應用于數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層。鏈接密鑰和主密鑰必須周期性地進(jìn)行更新，當兩個(gè)設備同時(shí)擁有鏈接密鑰和主密鑰時(shí)，它們將使用鏈接密鑰進(jìn)行通信。雖然網(wǎng)絡(luò )密鑰的存儲開(kāi)銷(xiāo)較小，但由于其可以用于多個(gè)設備，因此可能帶來(lái)內部攻擊，從而降低系統的安全性。ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的安全性是基于鏈接密鑰和網(wǎng)絡(luò )密鑰的。應用層對等實(shí)體之間的單播通信通過(guò)兩個(gè)設備共享的128 位鏈接密鑰進(jìn)行加密，廣播通信通過(guò)所有設備共享的128位網(wǎng)絡(luò )密鑰進(jìn)行加密。

3.2.2 信任中心

信任中心在網(wǎng)絡(luò )中負責分配安全密鑰，是一種令人信任的設備。信任中心允許設備加入網(wǎng)絡(luò )之中，并為其分配密鑰，從而保證設備之間的安全性。在采用了安全機制的ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，信任中心可由ZigBee協(xié)調者擔當。信任中心共有三種功能：信任管理，負責驗證加入網(wǎng)絡(luò )的設備;網(wǎng)絡(luò )管理，負責為設備獲取和分配網(wǎng)絡(luò )密鑰;配置管理，負責確保端到端設備的安全。ZigBee的信任中心分為住宅模式和商用模式兩種。在住宅模式的信任中心之中，需要維護一張網(wǎng)絡(luò )中所有設備和密鑰的清單，并對網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)和密鑰進(jìn)行管控;在商用模式的信任中心之中，也需要維護一張網(wǎng)絡(luò )中設備和密鑰的清單，并對網(wǎng)絡(luò )密鑰的更新和網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)控制進(jìn)行管理，除此之外還需在每個(gè)設備之中維護一個(gè)隨著(zhù)密鑰產(chǎn)生而不斷變化的計數器，以保證順序更新。商用模式的信任中心需要維護密鑰并允許其更新，擴展性能較好，但消耗的存儲空間也較多，而住宅模式不需設置密鑰，消耗的資源較少，但缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )的擴展性較差。

3.3 安全措施

ZigBee技術(shù)提供多種方法以確保網(wǎng)絡(luò )的安全性，主要包括以下幾種：

(1)加密技術(shù)，ZigBee使用的加密算法為128位AES算法。網(wǎng)絡(luò )層加密可以阻止外部攻擊，加密通過(guò)共享網(wǎng)絡(luò )密鑰完成。設備層使用鏈接密鑰在兩端的設備之間完成加密，可以同時(shí)阻止來(lái)自?xún)韧獠康墓?。有無(wú)加密技術(shù)并不影響順序更新、鑒權和完整性保護。

(2)鑒權技術(shù)，可以保證信息的原始性，防止其被第三方攻擊，分為網(wǎng)絡(luò )層和設備層。網(wǎng)絡(luò )層鑒權通過(guò)共享網(wǎng)絡(luò )密鑰完成，能夠阻止外部攻擊，但帶來(lái)了較大的內存開(kāi)銷(xiāo)。設備層鑒權通過(guò)設備間位移的鏈接密鑰完成，能夠阻止內外部攻擊，但缺點(diǎn)是內存開(kāi)銷(xiāo)高。

(3)完整性保護，ZigBee 提供0 位，32 位，64 位和128位的完整性保護技術(shù)，默認技術(shù)為64位。

(4)順序更新，ZigBee設置一個(gè)計數器來(lái)保證數據的更新，通過(guò)使用有序編號防止幀重放攻擊。接收到新的數據幀后，比較新編號和上一個(gè)編號之間的值，若新編號較新則校驗通過(guò)，同時(shí)更新編號為最新，反之校驗失敗。順序更新技術(shù)可以確保收到的數據為最新數據，但不能提供嚴格的與上一幀數據間的時(shí)間間隔信息。

4 智能電路中ZigBee 安全問(wèn)題考慮

在智能電路，ZigBee技術(shù)可被應用于多種領(lǐng)域，如輸變電線(xiàn)路在線(xiàn)監測和高級量測體系等，這些應用在安全性上都有著(zhù)較高的要求。在高級量測體系之中，如第3節所述，ZigBee技術(shù)可以被用來(lái)構建高級量測體系中的基礎--家域網(wǎng)。智能電表設施是構成智能電網(wǎng)的基礎，智能電表是用戶(hù)最常接觸也是最容易接觸到的設備，一旦其被攻破，就將對網(wǎng)絡(luò )中的其他設備造成威脅。同時(shí)，有些高級量測體系中，用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )操縱家中的電器，攻擊者可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )攻擊家中的電器，如偽裝成一個(gè)高能耗的設備，對用戶(hù)造成電費上的損失。而在輸變電線(xiàn)路在線(xiàn)監測之中，將會(huì )安裝大量的傳感器，組成無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，ZigBee技術(shù)能夠較好地適用于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )。這些傳感器負責收集電路的運作情況，并發(fā)送至管理中心，使得管理者能夠實(shí)時(shí)準確的獲得電路的運行狀態(tài)。攻擊者可能攻擊傳感器網(wǎng)絡(luò )，從而達到攻擊電路的目的。

綜合考慮，在使用了ZigBee 技術(shù)的智能電路應用中，必須采取以下幾種技術(shù)來(lái)保證安全：身份認證，確保接入無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的設備為合法設備;數據加密，對網(wǎng)絡(luò )中傳輸的數據進(jìn)行加密，確保數據不被攻擊者竊取;完整性保護，對傳輸數據采取完整性保護措施，確保數據不被非法篡改。

5 結語(yǔ)

ZigBee技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，十分適合于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，可應用于智能電路中的多個(gè)領(lǐng)域，成為推動(dòng)智能電路技術(shù)發(fā)展的強大驅動(dòng)力。由于智能電路中個(gè)各種應用對信息安全有著(zhù)嚴格的要求，因此在應用ZigBee技術(shù)的同時(shí)，必須要考慮到其安全性問(wèn)題。在安全問(wèn)題上，ZigBee對協(xié)議棧各層加強安全防護措施，使用AES加密算法加密數據，提供數據完整性保護和及安全措施，并建立信任中心機制管理安全密鑰，這些措施大大加強了ZigBee的安全性。盡管如此，在ZigBee密鑰分配協(xié)議的需求與性能指標、密鑰管理方案等方面還有待進(jìn)一步研究。隨著(zhù)智能電路技術(shù)對安全性要求的不斷提高，進(jìn)一步加強對ZigBee技術(shù)的安全研究是十分必要的。