物联网通信协议安全研究

    国际标准化组织IEEE和IETF正携手为物联网制定一套高可靠、低功耗、可接入互联网的无线通信协议栈。ＩＥＥＥ主要负责制定物联网通信协议的物理层和链路层的标准，如ＩＥＥＥ８０２．１５．４－２００６标准，其中ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｅ是最新的链路层的标准。ＩＥＴＦ主要负责制定物联网通信协议的网络层及以上标准，如６ＬｏＷＰＡＮ，ＲＰＬ和ＣｏＡＰ标准，其可以将资源受限的传感器节点接入互联网。网络安全是物联网大规模发展的基础，必须设计一套安全高效的机制保障通信协议的正常运行。文中详细介绍了物联网通信协议栈，重点分析和讨论了其安全方面的最新研究进展。最后总结和展望了物联网安全通信协议的研究方向。

    国际电信联盟（ＩＴＵ）于２００５年发布了一份《物联网》主题报告，该报告首次提出了“物联网将采用条形码、射频识别与传感器等感知设备，通过一套标准的通信协议，来实现任何物品的智能化识别与实时状态监管”［１－３］。当前全球主要发达国家掀起新一轮工业革命，各国正着手将物联网、大数据等新技术应用于工业智能制造过程中［４－５］。美国于２０１２年最先提出“工业物联网”的概念，将物联网新技术应用于高端制造业，从而达到振兴美国先进制造业的目的。德国于２０１３年提出了“工业４．０”战略规划，通过构建信息物理系统将产品、设备以及人等各个要素关联起来，从而实现由传统制造工厂向智能化工厂的更新换代。我国于２０１５年发布了《中国制造２０２５》战略规划，该规划指出“推动物联网、大数据等新一代信息技术和传统制造业深度融合，促进传统制造业向智能制造转型升级”任务。由此可见，将物联网新技术应用于未来工业应用领域是一个必然的发展趋势。

    目前，国际标准化组织ＩＥＥＥ和ＩＥＴＦ正携手为工业物联网制定一套高可靠、低功耗、可接入互联网的无线通信协议。通过大量廉价、资源受限的传感器节点实时地采集工业制造过程中的数据（如转速、振动、温度、湿度以及加速度等），然后采用一套标准的无线通信协议进行单跳或多跳传输，最后通过边界路由器将采集的数据发送到远距离服务器。ＩＥＥＥ工作组主要负责制定链路层以下标准，如ＩＥＥＥ８０２．１５．４－２００６标准［６］，其中ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｅ［７］是其最新版的链路层的标准。ＩＥＴＦ工作组主要负责制定链路层以上标准，包括适配层６ＬｏＷＰＡＮ［８］、网络层ＩＰｖ６ＲＰＬ［９］与应用层ＣｏＡＰ［１０］标准，其可以实现资源受限的传感器节点与下一代ＩＰｖ６因特网进行互联互通。

    由于物联网被广泛应用于石油、石化、煤矿、电网等国家基础设施领域，物联网安全问题将是其发展和应用过程中必须解决的关键问题。２０１０年震网病毒（Ｓｔｕｘｎｅｔ）导致全球范围内的多个工业控制网络无法正常工作（如伊朗核电站事故）。２０１５年黑客针对乌克兰的电力系统发起恶意代码ＢｌａｃｋＥｎｅｒｇｙ（黑色能量）攻击，导致长时间、大面积停电等严重后果。２０１６年的Ｍｉｒａｉ事件中，攻击者利用网络摄像头等数以十万计的物联网设备向域名服务器发起ＤＤｏＳ攻击，导致大量用户无法正常使用网络服务。另外，信息安全界最有影响力的业界盛会ＲＳＡ２０１７发布的七大致命攻击中就包括对工业物联网的攻击。可见，目前针对物联网的攻击事件层出不穷，并且越来越得到政府界与学术界的高度重视。

    然而，目前物联网通信协议仍然存在许多严重的安全问题。文献［１１－１４］指出了物联网协议栈中链路层存在安全漏洞，攻击者可以发起时间同步攻击、篡改攻击和能量耗尽攻击等。文献［１５－１７］指出了物联网协议栈中ＲＰＬ协议存在多种安全漏洞，攻击者可以发起女巫攻击、选择前向攻击、ＨＥＬＬＯ洪泛攻击以及虫洞攻击等，从而破坏ＲＰＬ协议正常运行。本文首先介绍物联网协议栈及其安全架构；然后分别讨论物联网通信协议栈中物理层和链路层、６ＬｏＷＰＡＮ自适应层、ＲＰＬ路由层和ＣｏＡＰ应用层的安全标准及机制的最新研究进展；最后总结和展望了物联网安全通信协议的研究方向。

１物联网协议栈及其安全架构

    １．１物联网通信协议栈国际标准化组织ＩＥＥＥ和ＩＥＴＦ的工作目标是在资源受限的传感器节点上设计一套高可靠、低功耗、可接入互联网的通信协议栈，使其可以支持成百上千个节点进行自组织多跳通信。ＩＥＥＥ工作组于２００６年公布适用于短距离、低功耗场景的ＩＥＥＥ８０２．１５．４－２００６标准［６］，该标准物理层规定数据最大传输速率为２５０ｋｂｐｓ，工作在ＩＳＭ频段上，其中在２．４ＧＨｚ频段有１６个信道。另外，ＩＥＥＥ８０２．１５．４－２００６标准采用可选的时隙保障ＧＴＳ机制和ＣＳＭＡ－ＣＡ信道访问机制，支持ＡＣＫ机制以保证可靠传输。到目前为止，该标准已成为Ｚｉｇ－Ｂｅｅ［１８］，ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ［１９］，ＩＳＡ１００．１１ａ［２０］和ＷＩＡ－ＰＡ［２１］等协议的物理层和链路层基础。但是基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４－２００６标准的无线通信在低功耗和可靠性等方面暴露出很多问题，２００８年，ＤＵＳＴ公司提出了一种ＴＳＭＰ（Ｔｉｍｅ－ＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄＭｅｓｈＰｒｏｔｏｃｏｌ）时间同步技术［２２］。ＴＳＭＰ采用时分多址ＴＤ－ＭＡ技术避免了网络中的节点空闲监听，降低了网络能耗，并采用时隙跳频机制解决了多径衰减和外界网络干扰的问题，提高了无线传输可靠性。２０１２年，ＩＥＥＥ８０２．１５．４工作组正式发布ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｅ标准，其核心技术是时间同步信道跳频（ＴｉｍｅＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎＣｈａｎｎｅｌＨｏｐｐｉｎｇ，ＴＳＣＨ），其中ＴＳＭＰ技术是ＴＳＣＨ的基础。在ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｅ网络中，节点之间通过精确时间同步在预定时间开启或关闭射频，从而节省了节点能耗；另外，节点采用了基于时隙的跳频机制，从而增强了节点抵抗周围环境噪声干扰和多径干扰的鲁棒性［２３］。

    ＩＥＴＦ工作组主要负责协议栈的应用层、网络层与适应层等高层标准的制定。ＩＥＴＦ先后成立３个工作组，分别是６ＬｏＷＰＡＮ（ＩＰｖ６ｏｖｅｒＬｏｗｐｏｗｅｒＷｉｒｅｌｅｓｓＰｅｒｓｏｎａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋｓ）工作组、ＲＯＬＬ（ＲｏｕｔｉｎｇｏｖｅｒＬｏｓｓｙａｎｄＬｏｗ－ｐｏ－ｗｅｒＮｅｔｗｏｒｋｓ）工作组和ＣｏＲＥ（ＣｏｎｓｔｒａｉｎｅｄＲｅｓｔｆｕｌＥｎｖｉｒｏｎ－ｍｅｎｔ）工作组。ＩＥＴＦ６ＬｏＷＰＡＮ工作组负责制定可以在低功耗个人局域网运行的ＩＰｖ６协议。ＩＥＴＦＲＯＬＬ工作组负责制定可以在低功耗和有损网络运行的ＩＰｖ６ＲＰＬ路由协议［９］。ＩＥＴＦＣｏＲＥ工作组负责制定可以在资源受限节点上运行的轻量级应用层ＣｏＡＰ协议［１０］，使得资源受限节点可以与现有互联网通信。另外，ＩＥＴＦ于２０１３年成立了６ＴｉＳＣＨ（ＩＰｖ６ｏｖｅｒｔｈｅＴＳＣＨｍｏｄｅｏｆＩＥＥＥ８０２．１５．４ｅ）标准组［２４］，负责ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｅＴＳＣＨ模式下ＩＰｖ６协议的设计，该工作组在安全方面的最新进展包括低开销的安全入网机制和６ＴｉＳＣＨ安全架构设计。

    １．２安全架构物联网的安全目标与其他网络的安全目标基本上是一致的，其主要包括机密性、完整性、可用性、不可否认性和数据新鲜性５个目标。机密性是指通过采用信息加、解密技术保证机密信息不会泄露给未授权的实体。完整性是指通过采用完整性认证、散列和数字签名等技术保证信息不会被窜改。可用性是指采用容错、入侵检测或网络自愈等技术手段确保在遭受攻击的情况下网络依然能够提供正常服务。不可否认性是指信息源发起者不能否认自己发送的信息，常用技术包括签名、身份认证、访问控制。数据新鲜性是指保证用户在指定时间内得到所需要的信息，常用技术包括网络管理、入侵检测、访问控制。另外，物联网的安全目标还包括隐私、匿名和信任。

    图１给出了物联网协议栈的安全架构。ＣｏＡＰ是一种基于ＵＤＰ协议的ＲＥＳＴ架构物联网应用层协议，采用ＤＴＬＳ（ＤａｔａｇｒａｍＴｒａｎｓｐｏｒｔ－ＬａｙｅｒＳｅｃｕｒｉｔｙ）［２５－２６］提供端到端的安全传输。ＤＴＬＳ是在现存的ＴＬＳ安全协议架构上的扩展，而ＴＬＳ主要用于保证ＴＣＰ上传输数据的安全，不能用来保证ＵＤＰ上传输数据的安全，通过扩展可以使ＤＴＬＳ支持ＵＤＰ数据报的安全传输。ＲＰＬ协议［９］采用ＩＰＳｅｃ来提供网络层的安全传输。ＩＰＳｅｃ提供了网络层的数据包加密、源地址认证以及访问控制等安全服务。约束环境的认证和授权（Ａｕｔｈｅｎ－ｔｉｃａｔｉｏｎａｎｄＡｕｔｈｏｒｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＣｏｎｓｔｒａｉｎｅｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ，ＡＣＥ）工作组正在开发用于访问受限环境中服务器上托管资源的身份验证授权机制，并且最近完成了一个综合用例文档ＲＦＣ７７４４［２７］。受约束环境（ＤＴＬＳＩｎＣｏｎｓｔｒａｉｎｅｄＥｎｖｉｒｏｎ－ｍｅｎｔｓ，ＤＩＣＥ）工作组正在研究用于受限制的物联网设备的ＤＴＬＳ协议。另外，轻量级实施指导（Ｌｉｇｈｔ－ＷｅｉｇｈｔＩｍｐｌｅ－ｍｅｎｔａｔｉｏｎＧｕｉｄａｎｃｅ，ＬＷＩＧ）工作组为资源受限环境提供最小ＩＰ通信协议栈及相关安全技术，包括非对称加密技术和ＩＫＥｖ２认证协议。

２ 物理层和链路层协议安全 

ＩＥＥＥ８０２．１５工作组成立于１９９８年，该工作组致力 于 无 线个人局域网（ＷＰＡＮ）的物 理 层（ＰＨＹ）和链 路 层（ＭＡＣ）的 标准化工作，以为短距离相互通信的无线通信设备提供通信 标准。ＩＥＥＥ８０２．１５ 于 ２０００ 年 成 立 任 务 组 ＴＧ４，专 门 制 定 ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准，并针对低速率个人局域网（ＬＲ－ＷＰＡＮ） 制定标准。 ２．１ 物理层协议———ＩＥＥＥ８０２．１５．４ ＩＥＥＥ８０２．１５．４物理层定 义 了８６８ＭＨｚ，９１５ＭＨｚ和２．４ ＧＨｚ３个频段，其中８６８ＭＨｚ和９１５ＭＨｚ提供了ＢＰＳＫ，ＡＳＫ 和 Ｏ－ＱＰＳＫ３种调制方法，２．４ＧＨｚ仅提 供 了 Ｏ－ＱＰＳＫ 调制 方法，数据传输速率最高可达２５０ｋｂｐｓ。目前，三 大 工 业 无 线 国际 标 准 ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ［１９］，ＩＳＡ１００．１１ａ［２０］和 ＷＩＡ－ＰＡ［２１］ 在物理层上均 采 用 了ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准。另 外，为 了 实 现 全球互联，大多只使用ＩＥＥＥ８０２．１５．４的２．４ＧＨｚ频段。 ２．２ 低功耗链路层协议———ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｅ 许多工业应用场合对无线通信的可靠性、低 功 耗 和 实 时 性等性能要求苛刻，以 前 的ＩＥＥＥ８０２．１５．４－２００６标准 无 法 满 足以上要求。ＩＥＥＥ 工作组开始制定ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｅ［７］标准 并于２０１２年正式发布，标 准 的 核 心 是 ＴＳＣＨ 技术。网 络 中， 节点通过精确时间同步在预定时间开启或关闭射频，避免了 节点空闲监听，节省了节点的能量；节点通过时隙跳频技术在 不同时隙使用不同信道，增强了其抗干扰能力，提高了无线通 信的可靠性。研 究 表 明［２８－３０］，即使在恶劣工业无线环境中， ＴＳＣＨ 技术也可以实现网络丢包率低于０．０１％。 图２给出了ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｅ网络中的节点通信示意图。 矩阵横向表示 时 隙 值（ＡＳＮ），其随着时间的推移不断递增。 槽帧（Ｓｌｏｔｆｒａｍｅ）是多个 时 隙 的 组 合，可 以 周 期 性 重 复。矩 阵 纵向表示信道值，其值在０～１５之间。网络中有 Ａ，Ｂ，Ｃ 和Ｄ 节点，假设将矩阵中的时隙 －信道定义成［时隙值，信道值］，节 点 Ａ 和Ｂ 在［１，１］进行通信，节点 Ａ 和Ｃ 在［２，４］进行 通 信， 那么可知节点 Ａ 在不同时隙可以使用不同信道进行通信。