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(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕d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)到用戶終端之間的通信網(wǎng)絡(luò)。

無線近距離接入網(wǎng)（如無線局域網(wǎng)、ZigBee、藍牙）

無線遠距離接入網(wǎng)（如4G移動通信）

其他有線接入方式（如PSTN、ADSL、寬帶、有線電視、現(xiàn)場總線）

5.1.2網(wǎng)絡(luò)層安全需求

（1）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)認(rèn)證

（4）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下終端的安全接入

（5）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一協(xié)議棧需求

（6）大規(guī)模終端分布式安全管控

5.1.3網(wǎng)絡(luò)層安全機制

（1）構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等相融合的網(wǎng)絡(luò)安全體系結(jié)構(gòu)

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

（3）提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)各應(yīng)用層次之間的安全應(yīng)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(yīng)用訪問控制機制

5.2核心網(wǎng)安全

核心網(wǎng)面臨的安全威脅：

（1）核心網(wǎng)要接收來自海量、集群方式存在的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的傳輸信息，很容易導(dǎo)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)層最常見的攻擊手段

（2）網(wǎng)絡(luò)層存在不同架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通問題，核心網(wǎng)將面臨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)跨網(wǎng)認(rèn)證等安全問題。涉及密鑰和認(rèn)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(jié)點不固定，與鄰近節(jié)點的通信關(guān)系會發(fā)生改變，很難為節(jié)點建立信任關(guān)系，面臨著虛擬節(jié)點、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(chǔ)

?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網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)(即跨網(wǎng)互聯(lián))的能力，IP是實現(xiàn)整個網(wǎng)際互聯(lián)的核心，在該層加入安全機制是保證整個網(wǎng)絡(luò)安全通信的重要手段

?IP層的安全機制稱為IPSec，包括了三個功能域：鑒別、機密性和密鑰管理。

○鑒別機制保證收到的分組確實是由分組首部的源站地址字段聲明的實體傳輸過來的，該機制還能保證分組在傳輸過程中沒有被篡改

○機密性機制使得通信節(jié)點可以對報文加密

○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(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是為IPv4和IPv6提供透明的安全服務(wù)。

IPSec通過對IP協(xié)議的分組進行加密和認(rèn)證來保護IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議族，用于保證數(shù)據(jù)的機密性、來源可靠性、無連接的完整性并提供抗重播服務(wù)。

?IPSec的優(yōu)點

○由于IPSec位于傳輸層(TCP、UDP)之下，因此對于應(yīng)用是透明的。所以當(dāng)在防火墻、路由器或用戶終端系統(tǒng)上實現(xiàn)IPSec時，并不會對應(yīng)用程序帶來任何的改變

○IPSec可以對個人用戶提供安全性。這對于不在本地的工作者(如出差)，或者對于一個組織內(nèi)部，為敏感的應(yīng)用建立只有少數(shù)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(nèi)部的通信，它不會帶來任何與安全有關(guān)的處理負荷

○IPSec對終端用戶是透明的

?IPSec的組成

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

定義了認(rèn)證的應(yīng)用方法，提供數(shù)據(jù)源認(rèn)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(rèn)證的應(yīng)用方法，提供可靠性保證

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

用于密鑰交換

?IPSec的工作模式

○傳輸模式

傳送模式用來保護上層協(xié)議，用于兩個主機之間端對端的通信

○隧道模式

也稱通道模式，是用來保護整個IP數(shù)據(jù)報，通常在SA的一端或是兩端都是安全網(wǎng)關(guān)時使用

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

為了正確封裝和提取IPsec的數(shù)據(jù)包，有必要采取一套專門的方案，將安全服務(wù)、密鑰等與要保護的通信數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起，這樣的構(gòu)建方案稱為安全關(guān)聯(lián)。

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

安全關(guān)聯(lián)SA通過一個三元組（安全參數(shù)索引SPI、目的IP地址和安全協(xié)議AH或ESP）來唯一標(biāo)識。

?抗重播服務(wù)

IPSec協(xié)議通過數(shù)據(jù)包使用一個序列號和一個滑動的接收窗口實現(xiàn)抗重播服務(wù)

每個IPSec頭內(nèi)，都包含了一個獨一無二、且單調(diào)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施IPSec的那臺計算機的字長度的整數(shù)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、無連接的完整性保護、數(shù)據(jù)源認(rèn)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(jié)合使用。一般ESP不對整個數(shù)據(jù)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需要對整個數(shù)據(jù)包加密

?AH協(xié)議

AH協(xié)議用于為IP數(shù)據(jù)包提供數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的加密服務(wù)，但能比ESP提供更加廣的數(shù)據(jù)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(chǔ)，Oakley的模式以及SKEME的共享和密鑰更新技術(shù)

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

IKE允許四種認(rèn)證方法，分別是基于數(shù)字簽名的認(rèn)證、基于公鑰加密的認(rèn)證、基于修訂的公鑰加密的認(rèn)證和基于預(yù)共享密鑰的認(rèn)證

?VPN(Virtual Private Network，虛擬專用網(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主要有三個應(yīng)用領(lǐng)域：遠程接入網(wǎng)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和外聯(lián)網(wǎng)

○VPN的基本功能

加密數(shù)據(jù)

信息驗證和身份識別

訪問控制

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)

§點到點隧道協(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(shè)備身份認(rèn)證技術(shù)

○訪問控制技術(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，實現(xiàn)MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間的無縫連接,提出一個網(wǎng)絡(luò)適配層-6LoWPAN（（IPv6 over low-power wireless personal area network），用來完成包頭壓縮、分片、重組和網(wǎng)狀路由轉(zhuǎn)發(fā)等

1）MAC層安全

必須提供終端節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚點間的安全保證。在MAC層可以引入訪問控制、MAC幀加密與解密、幀完整性驗證、身份認(rèn)證等安全機制,提供點到點的安全通信

2）適配層安全

可能存在的安全問題：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(xiàn)IP包碎片攻擊，進而可能引起DoS攻擊和重播攻擊。應(yīng)對IP包碎片攻擊的一種方法是：在6LoWPAN適配層增加時間戳（Timestamp）和現(xiàn)時（Nonce）選項來保證收到的數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)(AES)和CTR模式加密及CBC-MAC驗證等對稱加密算法對大容量數(shù)據(jù)進行加密

4）應(yīng)用層安全

應(yīng)用層的安全主要集中在為整個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(yīng)用層要能夠控制下層安全服務(wù)的某些參數(shù)

5.2.4 SSL/TLS

?安全套接字層協(xié)議（Secure Socket Layer,SSL）被設(shè)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)，是一種用于基于會話的加密和認(rèn)證的Internet協(xié)議，它在客戶和服務(wù)器之間提供一個安全的管道

?SSL工作在傳輸層和應(yīng)用層之間，與應(yīng)用層協(xié)議無關(guān)，應(yīng)用層數(shù)據(jù)（HTTP、FTP、TELNET等）可以透明地置于SSL之上

?SSL不是單個的協(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個高層協(xié)議(SSL握手協(xié)議、SSL修改密文規(guī)程協(xié)議、SSL告警協(xié)議)用于管理SSL交換（一共4個協(xié)議）

?SSL記錄協(xié)議

SSL記錄協(xié)議為每一個SSL連接提供以下兩種服務(wù)

機密性(Confidentiality)：SSL記錄協(xié)議會協(xié)助雙方產(chǎn)生一把共有的密鑰，利用這把密鑰來對SSL所傳送的數(shù)據(jù)做傳統(tǒng)式加密。

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

?TLS協(xié)議

提供保密性和數(shù)據(jù)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(shè)置在不同網(wǎng)絡(luò)（典型地，可信任的企業(yè)內(nèi)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)雙向通信必須通過防火墻；(2)防火墻本身不會影響信息的流通；(3)只允許本身安全策略授權(quán)的通信信息通過。

?防火墻是一種訪問控制機制，用于確定哪些內(nèi)部服務(wù)對外開放，以及允許哪些外部服務(wù)對內(nèi)部開放。

?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：確定可以訪問的因特網(wǎng)服務(wù)的類型，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端口號對通信量進行過濾

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

○用戶控制：內(nèi)部用戶、外部用戶所需的某種形式的認(rèn)證機制。根據(jù)用戶試圖訪問的服務(wù)來控制對服務(wù)的訪問。典型地用戶控制防火墻以內(nèi)的用戶（本地用戶）

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

?防火墻有3種主要類型；不同類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)層的分組過濾器和工作于應(yīng)用層的應(yīng)用級網(wǎng)關(guān)為常見

（1）分組（或包）過濾器

優(yōu)點：價格低，對應(yīng)用透明和高的處理速度

缺點：正確建立分組過濾規(guī)則是一件困難的事（分組過濾配置較復(fù)雜）；無用戶使用記錄，不利于分析攻擊行為；攻擊相對容易實施

（2）應(yīng)用級網(wǎng)關(guān)（也叫代理服務(wù)器）

優(yōu)點：一般認(rèn)為比分組過濾器更安全，因為它只對少數(shù)幾個支持的應(yīng)用進行檢查，從外面只看到代理服務(wù)器，而看不到任何內(nèi)部資源，而且代理服務(wù)器只允許被代理的服務(wù)通過

缺點：網(wǎng)關(guān)處于兩個串接用戶的中間點，必須在兩個方向上檢查和轉(zhuǎn)發(fā)所有通信量，對每個連接都需要有額外的處理負載，使訪問速度變慢；需要針對每一個特定的Internet服務(wù)安裝相應(yīng)的代理服務(wù)器軟件，這會帶來兼容性問題

（3）電路級網(wǎng)關(guān)

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

缺點：像電路交換，其對會話建立后所傳輸?shù)木唧w內(nèi)容不作進一步分析，存在一定安全隱患

?防火墻的局限性：

（1）防火墻不能對繞過它的攻擊進行保護（越窗而不逾門)

（2）防火墻不能對內(nèi)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(nèi)容進行檢查）

(4)防火墻機制難以應(yīng)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)的信息交換將成為網(wǎng)絡(luò)層安全性的脆弱點。

5.3泛在接入安全

泛在接入網(wǎng)安全包括遠距離無線接入安全、近距離無線接入安全

5.3.1遠距離無線接入安全

?（1）移動通信系統(tǒng)面臨的安全威脅

1）對敏感數(shù)據(jù)的非授權(quán)訪問（違反機密性）。包括：竊聽、偽裝、流量分析、瀏覽、泄漏和推論

2）對敏感數(shù)據(jù)的非授權(quán)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(dǎo)致拒絕服務(wù)或可用性降低）。包括干涉、資源耗盡、優(yōu)先權(quán)的誤用和服務(wù)的濫用

4）否認(rèn)。用戶或網(wǎng)絡(luò)拒絕承認(rèn)已執(zhí)行過的行為或動作。

5）非授權(quán)接入服務(wù)。包括入侵者偽裝成合法用戶或網(wǎng)絡(luò)實體來訪問服務(wù)；用戶或網(wǎng)絡(luò)實體能濫用它們的訪問權(quán)限來獲得非授權(quán)的訪問

?(2)移動通信系統(tǒng)的安全特性要求

1）提供用戶身份機密性

2）實體認(rèn)證

3）數(shù)據(jù)傳輸機密性

4）數(shù)據(jù)完整性

5）安全的能見度和可配置性

?（3）移動通信系統(tǒng)的安全架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)接入安全

網(wǎng)絡(luò)域安全

用戶域安全

應(yīng)用域安全

安全服務(wù)的可視性和可配置性

?（4）認(rèn)證與密鑰協(xié)商（AKA）

5.3.2近距離無線接入安全

?1、無線局域網(wǎng)安全

○無線局域網(wǎng)可用的安全技術(shù)：

（1）物理地址（MAC）過濾

（2）服務(wù)區(qū)標(biāo)識符（SSID）匹配

（3）有線對等保密（WEP）

（4）WAPI安全機制

（5）IEEE 802.1X EAP認(rèn)證機制

（6）IEEE 802.11i安全機制

（7）IEEE 802.16d安全機制

?2、無線個域網(wǎng)安全

○WPAN是以個人為中心的無線個人區(qū)域網(wǎng)，實際上是一個小范圍、低功率、低速率、低價格的電纜替代技術(shù)

○無線個域網(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(guī)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(nèi)容

·訪問控制

·數(shù)據(jù)加密

·數(shù)據(jù)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)安全

5.4.3異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全機制

○異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的路由安全

○異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入認(rèn)證機制

○異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測機制

○異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點信息傳輸安全

5.5路由安全

(1)哄騙、篡改或重放路由信息

(2)選擇性轉(zhuǎn)發(fā)（selective forwarding）

(3)污水池（sinkhole）攻擊

(4)女巫（sybil）攻擊

(5)蟲洞（wormhole）攻擊

(6)Hello洪泛攻擊

(7)應(yīng)答欺騙

?（1）針對外部攻擊的防御對策

?（2）針對內(nèi)部攻擊的防御對策

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