物联网中的安全和隐私问题

1、2021-6-291 物联网中的安全与隐私问题 王志强 2021-6-292 n一、物联网背景知识 n二、物联网安全问题及解决方案 n三、物联网隐私问题及解决方案 n四、总结 2021-6-293 物联网的发展 n1999年美国麻省理工学院建立了“自动识别中心 （Auto-ID）”，提出“万物皆可通过网络互联”， 阐明了物联网的基本含义。 n国际电信联盟（ITU）2005年的一份报告ITU互联网 报告2005：物联网，正式提出了物联网的概念 。 n2008年底IBM提出了“智慧地球”概念，得到美国各 界的高度关注 。 n2009年8月温家宝总理提出“感知中国”以来,物联网 被正式列为国家五大新

2、兴战略性产业之一，写入“政 府工作报告”。 2021-6-294 物联网定义 n物联网是什么？ 通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、 激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品 与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识 别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。 2021-6-295 物联网网络体系结构 根据物联网的服务类型和节点等情况，将物联网划分为感知层、 传输层和应用层。 2021-6-296 物联网网络体系结构 n感知层 感知层主要功能是信息感知与采集，主要包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、 各种传感器、视频摄像头等。如温度感应器、

3、声音感应器、震动感应器、压力感应器、RFID读写器、 二维码识读器等，完成物联网应用的数据采集和设备控制。 n传输层 主要通过移动通信网、互联网、专网、小型局域网等网络对数据进行传输。因为传输层面临海量数 据的传输,所以传输层还需具有信息智能处理、管理能力,例如海量信息的分类、聚合和处理、 传感器网络的管理等。传输层关键技术包括长距离有线和无线通信协议、网络融合技术、海量信息 智能处理技术等。 n应用层 应用层主要包含支撑平台和应用服务。应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的 信息协同、共享、互通的功能。应用服务子层包括智能家居、智能电网、智能交通、智能物流等行 业应用。 202

4、1-6-297 二、物联网安全问题及解决方案 2021-6-298 感知层安全威胁 针对RFID的主要安全威胁： n标签本身的设计缺陷 n黑客非法截取通信数据 n拒绝服务攻击 n利用假冒标签向阅读器发送数据 nRFID阅读器与后台系统间的通信信息安全 2021-6-299 感知层安全威胁 无线传感网可能遇到的安全威胁包括下列情况： n网关节点被捕获 n普通节点被捕获 nDOS攻击 n重放攻击 n虚假路由信息 n选择性转发 n虫洞攻击 2021-6-2910 RFID安全策略 n静电屏蔽。利用法拉第笼阻止无线电信号的穿 透。 n阻塞标签。 n主动干扰。利用一个能主动打出无线电信号的 装置，以干扰

5、或中断附近其他RFID阅读器。 n改变阅读器频率。阅读器可使用任意频率。 n密码机制。哈希函数、重加密等 目前,实现RFID安全性机制所采用的方法主要有物理方法、 密码机制以及二者相结合的方法： 2021-6-2911 感知层安全机制 n密钥协商 部分传感网内部节点进行数据传输前需要预先协商会话 密钥。 n节点认证 个别传感网（特别当传感数据共享时）需要节点认证 “确保非法节点不能接入。 n信誉评估 一些重要传感网需要对可能被敌手控制的节点行为进行 评估以降 低敌手入侵后的危害（某种程度上相当于入侵检测）。 n安全路由 几乎所有传感网内部都需要不同的安全路由技术。 2021-6-2912 传输

6、层安全威胁 物联网的特点之一体现为海量,存在海量节点和海量数据, 这就必然会对传输层的安全提出更高要求。虽然,目前的核心 网络具有相对完整的安全措施,但是当面临海量、集群方式存 在的物联网节点的数据传输需求时,很容易导致核心网络拥塞, 产生拒绝服务。 由于在物联网传输层存在不同架构的网络需要相互连通 的问题,因此,传输层将面临异构网络跨网认证等安全问题,将 可能受到DoS攻击、中间人攻击、异步攻击、合谋攻击等。 2021-6-2913 传输层安全机制 传输层安全机制可综合利用点到点加密机制和端到端加 密机制。 点到点加密机制在传输过程中是密文传输,但是它需要在 每个路由节点上进行先解密然后再加

7、密传输,其信息对每个节 点是透明的。由于其逐跳加密是在网络层进行的,所以适用于 所有业务,有利于将物联网各业务统一到一个管理平台。由于 每个节点可以得到加密信息的明文数据,所以对节点的可信性 要求较高。 端到端加密机制可以提供不同安全等级的灵活安全策略, 但是也存在较大的缺点:首先,端到端加密机制不符合国家利 益,不能满足国家合法监听的政策;其次,端到端加密方式不能 隐藏信息的源和目的,存在被敌手利用的可能性 此外,应加强传输层的跨域认证和跨网认证。 2021-6-2914 应用层安全挑战 n海量数据的识别和处理 n智能变为低能 n自动变为失控 n灾难控制和恢复 n非法人为干预 2021-6-

8、2915 应用层安全机制 当海量数据传输到应用层时,除了数据的智能处理之外,还 应该考虑数据的安全性和隐私。 1)应在数据智能化处理的基础上加强数据库访问控制策略。 当不同用户访问同一数据时,应根据其安全级别或身份限制其 权限和操作,有效保证数据的安全性和隐私,如手机定位应用、 智能电网和电子病历等。 2)加强不同应用场景的认证机制和加密机制。 3)加强数据溯源能力和网络取证能力,完善网络犯罪取证机制 。 4)应考虑在不影响网络与业务平台的应用的同时,如何建立一 个全面、统一、高效的安全管理平台。 2021-6-2916 三、物联网隐私问题及解决方案 2021-6-2917 隐私保护概念 简单

9、地说， 隐私保护就是使个人或集体等实体 不愿意被外人知道的信息得到应有的保护。 与隐私保护密切相关的一个概念是信息安全， 两者之间有一定的联系， 但两者关注的重点不同。 信息安全关注的主要问题是数据的机密性、 完整性 和可用性， 而隐私保护关注的主要问题是看系统是 否提供了隐私信息的匿名性。通常来讲， 隐私保护 是信息安全问题的一种， 可以把隐私保护看成是数 据机密性问题的具体体现。 2021-6-2918 物联网隐私威胁分类 n基于数据的隐私威胁 数据隐私问题主要是指物联网中数据采集、 传 输和处理等过程中的秘密信息泄露， 从物联 网体系结构来看， 数据隐私问题主要集中在 感知层和处理层，

10、如感知层数据聚合、 数据 查询和 RFID 数据传输过程中的数据隐私泄露 问题， 处理层中进行各种数据计算时面临的 隐私泄露问题。 2021-6-2919 物联网隐私威胁分类 n基于位置的隐私威胁 位置隐私是物联网隐私保护的重要内容， 主要 指物联网中各节点的位置隐私以及物联网在提 供各种位置服务时面临的位置隐私泄露问题， 具体包括 RFID 阅读器位置隐私、 RFID 用户 位置隐私、 传感器节点位置隐私以及基于位 置服务中的位置隐私问题。 2021-6-2920 物联网隐私保护方法分类 n匿名化方法 该方法通过模糊化敏感信息来保护隐私，即修改或隐 藏原始信息的局部或全局敏感数据。 n加密类

11、方法 通过加密技术对信息进行保护。 既保证了数据的机密 性，又保证了数据的隐私性。加密方法中使用最多的 是同态加密技术和安全多方计算。 n安全路由协议方法 在路由协议方法中，其实现隐私防护的根本原理是通 过对WSN网络中节点路由的协议控制，实现对信息 的保护。 2021-6-2921 匿名化方法具体应用 基于位置的服务(LBS)是物联网提供的一个重要应用， 当用 户向位置服务器请求位置服务(如 GPS 定位服务)时， 如何 保护用户的位置隐私是物联网隐私保护的一个重要内容。 利用匿名技术可以实现对用户位置信息的保护。 位置隐私保护的模型结构： 1、独立结构。 2、中心服务器结构。 3、点对点结

12、构。 2021-6-2922 位置隐私保护的模型结构 n独立式结构 独立结构比较简单，用户在客户端上完成匿名过程，然后 将服务请求发送给第三方 LBS提供商。 2021-6-2923 位置隐私保护的模型结构 n中心服务器结构 中心服务器结构在独立机构的基础上添加了一个可信任的 匿名服务器，该服务器位于用户和 LBS 提供商之间，接 受用户发送过来的位置服务请求信息匿名处理后发送给第 三方LBS 提供商 2021-6-2924 位置隐私保护的模型结构 n点对点结构 点对点结构只存在用户和 LBS 提供商，用户和用户之间 通过协作组成合适的匿名群，该匿名群用于保护用户的隐 私安全。 2021-6-

13、2925 位置隐私保护技术 n空间匿名技术 终端 m 需要从 LBS 服务器获得位置服务信息，首先 要将自己的位置隐匿在当前环境中。终端 m 向单跳 邻居节点发送匿名请求信息，各个请求信息头部包括 标识符，跳数等信息。接着 m 就处于监听回复的状 态。当邻居节点收到一个回复后，通过数据包头部的 标识符判断是否重复接受，如是，则丢弃。之后，通 过跳数判断是否是临近节点，如是，则将该节点的信 息保存到元组中。如不，则继续寻找。接着，邻居节 点将所得元组集合发送给终端 m。这种算法的优点在 于分散了匿名工作和计算量到初始终端的邻居节点， 在保证达到匿名度的同时平均分配了损耗。 2021-6-2926

14、 位置隐私保护技术 n时空匿名技术 时空匿名是在空间匿名的基础之上增加了一个 时间轴，在用空间区域代替具体位置以后，同 时延长匿名的时间，将位置服务请求信息的匿 名时间延长，在这个时间段里面，也许会有更 多的信息出现在这个空间区域，这时候就可以 在这些心中寻找合适的匿名群。 2021-6-2927 位置隐私保护技术 n时空匿名技术 如图 所示，黑色圆点是用户的真实位置，模型使用时空区域（图中的长方体） 代替用户的具体位置之后，用户以相同的概率处于时空区域中的任何一个位置。 2021-6-2928 位置隐私保护技术 nK-匿名技术 K-匿名技术需引入第三方匿名服务器，适用于中心服务器 模式。目前

15、的 K-匿名技术采用泛化和隐匿两种技术实现 匿名。终端向服务器发送 LBS 服务请求时，匿名服务器 会收到终端服务器的地址，匿名服务器根据匿名需求将真 实位置泛化成一个区域。K-匿名的安全度取决于两个参数， 最小匿名面积 Amin， 用于匿名服务器分割匿名区域时的 依据；匿名度 K，K 值的取定直接决定匿名服务的质量， K越小，匿名程度越低，K 越大，匿名程度越大，但随着 K 的增大，网络的负载也越来越大，在服务质量和网络负 载之间保持平衡的条件下选择合适的匿名度。 2021-6-2929 加密技术的具体应用 n针对RFID的隐私保护。 几种常用的隐私保护方法：安全多方计算：对RFID 传感器

16、的位置信息和数据进行分析，利用基于SMC的 密码组合实现对RFID数据的隐藏；基于加密原理的 安全协议：对于网络中的各种敏感数据和位置信息， 通过各种加密机制实现信息防护。 nWSN网络的数据隐私保护。 于加密技术的无线传感器网络数据隐私保护方法主要 是采用同态加密技术实现端到端数据聚合隐私保护。 n数据挖掘隐私保护 针对分布式环境下的数据挖掘方法， 一般通过同态 加密技术和安全多方计算实现隐私保护。 2021-6-2930 加密技术 n安全多方技术 安全多方计算是指在一个互不信任的多用户网络中, 各用户能够通过网络来协同完成可靠的计算任务,同时 又能保持各自数据的安全性。实际上,安全多方计算

17、是 一种分布式协议,在这个协议中,n个成员p1,p2,pn。 分别持有秘密的输xl,x2,xn,试图计算函数值 f(xl,x2,xn),其中,f为给定的函数。在此过程中,每个 成员pi仅仅知道自己的输人数据x;和最后的计算结果 f(xl,x2,xn)。安全的含义是指既要保证函数值的正 确性,又不暴露任何有关各自秘密输人的信息。 2021-6-2931 加密技术 n同态加密技术 一般的加密体系包含3个部分:生成公钥/私钢对, 加密过程,解密过程。而在同态加密体系中多 了一个对密文的计算过程,并且要求这个计算 过程得到的结果是一个密文,而这密文解密后 的明文等于对原始明文进行相应计算结果。 202

18、1-6-2932 同态加密具体表示 2021-6-2933 哈希锁 n为了避免RFID标签信息泄露和被追踪， hash 锁 协议使用 metaID 来代替真实的标签 ID， 标签对 阅读器进行认证之后再将其 ID 发送给阅读器。这 种方法在一定程度上防止了非法阅读器对标签 ID 的获取。 2021-6-2934 哈希锁实现过程 (1)锁定过程 1)阅读器随机生成一个密钥key,并计算metalD=hash(key)其中hash()是 一个单向密码学哈希函数。 2)阅读器随将metalD与入到标签。 3)标签被锁定,进入锁定状态。 4)阅读器可以用metalD作为整个环节的索引,用数据库来存(m

19、etalD,key) 数据。 (2)解锁过程 1)标签进入读写器范围后,读写器查询标签;标签响应并返回metalD。 2)读写器以metalD为索引在后台数据库中查找对应的(metalD,key)对,并 将key返回给阅读器。 3)标签将收到从阅读器发过来的密钢key。 4)标签计算hash(key),如果hash (key)与标签中存储的metalD相等,则标 签解锁,并向读写器发送真实ID。 2021-6-2935 随机哈希锁 n在这个协议中,阅读器每次访问标签得到的输出信息都不 同。在随机哈希锁协议中,标签需要包含一个单向密码学 哈希函数和一个伪随机数发生器;阅读器也拥有同样的哈 希函数

20、和伪随机发生器;并将对应于每个标签的ID值存储 在后台系统的数据库当中;阅读器还在每一个标签共享一 个唯一的密钥key,这个key将作为密码学哈希函数的密钥 用于计算。 2021-6-2936 随机哈希锁实现过程 1.当阅读器请求访问标签时,标签T先用伪随机数发生器生成 一个随机数R,然后计算其ID和随机数R的哈希值hash(IDllR), 最后把随机数R和这个哈希值返回给发起访问请求的阅读器。 阅读器收到标签的响应后,将这些信息都发送给后台数据。 2.因为还不知道被查询标签的身份,因此后台数据库需要穷 举所有标签ID,并与收到的随机数R一起作为哈希函数的输入, 计算hash(ID|R)。如果

21、计算得到的哈希值与收到的哈希值相 同,则ID,就是正在被查询的标签,阅读器将此标签的ID发回, 对标签进行解锁。 2021-6-2937 哈希链 哈希链协议中,标签和阅读器共享两个单向密码学哈希函数 G ()和H (),其中G ()用来计算响应消息,H ()用来进行更新;它 们还共享一个初始的随机化标识符S。当阅读器查询标签 时,标签返回当前标示符Si的哈希值ai=G (Si),同时标签更新 当前标识符Si至Si+i=H (Si),哈希链协议如图所示。 阅读器收到标签的响应后需要穷尽的计算,使用数据库中所 有标签的标识符计算哈希值来与收到的信息匹配。 2021-6-2938 安全路由协议 路由协议隐私保护方法一般基于随机路由策略， 即数据包的每一次传输并不都