物聯(lián)網(wǎng)安全傳輸協(xié)議的研究與設(shè)計(jì)★

鐘晶，王潁凱

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

近年來，基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越多。物聯(lián)網(wǎng)是“物物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)”，具有兩層含義：1）物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；2）其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)具有互聯(lián)網(wǎng)的共性，又具有自身獨(dú)特的性質(zhì)。

在一般情況下，互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包未加密和簽名，很容易發(fā)生被竊聽、篡改、偽造以及發(fā)送者抵賴等問題，如何保護(hù)傳輸數(shù)據(jù)的安全已成為物聯(lián)網(wǎng)的基本安全問題之一。TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)之初并未著重考慮安全機(jī)制，現(xiàn)有的可選安全方案包括PGP、IPSec和SSL/TLS[1]等。

a）PGP（Pretty Good Privacy）[2]不僅提供隱私加密和認(rèn)證功能，還經(jīng)常用于Email的簽名、加/解密以提高安全性。然而，這種方案只適用于應(yīng)用層。

b）SSL/TLS（Secure Socket Layer/Transport Layer Security）[3]是用于保證通信雙方所交換數(shù)據(jù)機(jī)密性和完整性的協(xié)議。此標(biāo)準(zhǔn)未提供傳輸層以上的安全方案，而且并不適用于無連接的數(shù)據(jù)通信。

c）IPSec（Internet Protocol Security）[4]是用于對(duì)數(shù)據(jù)流中IP包認(rèn)證和加密的協(xié)議。此方案配置比較復(fù)雜，靈活性不夠高，而且建立連接時(shí)也要比本文中的方案交換更多的數(shù)據(jù)包。

本文提出一種實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)膮f(xié)議，它保留了原來互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和硬件，無需更新或添置新的設(shè)備。基本思想為發(fā)送方對(duì)所有發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編號(hào)、加密和簽名等，接收方接收到數(shù)據(jù)后依據(jù)連接建立時(shí)協(xié)商的參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編號(hào)檢查、解密和認(rèn)證等。

1 總體框架概述

本協(xié)議從邏輯上分為3個(gè)層次：核心層、服務(wù)層和應(yīng)用層。其中，核心層是一些依據(jù)應(yīng)用層設(shè)置的策略來過濾收發(fā)的數(shù)據(jù)包；服務(wù)層對(duì)核心層傳遞過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行加/解密、簽名/認(rèn)證等處理；應(yīng)用層制定過濾策略、選擇加/解密算法和簽名/認(rèn)證算法、密鑰交換周期等參數(shù)。如圖1所示。

2 連接建立及釋放過程

通信前，雙方必須首先建立數(shù)據(jù)連接。建立連接的主要目的是進(jìn)行身份認(rèn)證和協(xié)商各種參數(shù)，如雙方的初始序列號(hào)、使用的加/解密算法和簽名/認(rèn)證算法、密碼交換周期、通信雙方的標(biāo)識(shí)等。整個(gè)過程需交換5個(gè)數(shù)據(jù)包，如圖2所示。

圖1 總體框架圖

圖2 連接建立過程

1）第1個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容包括向?qū)Ψ教嶙h可用的加密算法、消息認(rèn)證算法、會(huì)話密鑰的生存期以及是否需要簽名；

2）第2個(gè)數(shù)據(jù)包是對(duì)第1個(gè)數(shù)據(jù)包的回復(fù)，內(nèi)容包括確定所采用的加密算法、消息認(rèn)證算法、會(huì)話密鑰的生存期以及是否需要簽名；

3）第3個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容包括發(fā)送方連接索引、用于協(xié)商密鑰的參數(shù)并用發(fā)送方的私鑰進(jìn)行簽名；

4）第4個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容包括接收方連接索引、用于協(xié)商密鑰的參數(shù)并用接收方的私鑰進(jìn)行簽名；

5）第5個(gè)數(shù)據(jù)包通知接收方已經(jīng)收到它發(fā)來的密鑰協(xié)商參數(shù)且已經(jīng)驗(yàn)證了它的身份。

至此，通信雙方的連接建立成功。當(dāng)通信雙方數(shù)據(jù)交換完成后，需釋放對(duì)應(yīng)的連接。整個(gè)過程需交換3個(gè)數(shù)據(jù)包，過程如下：

1）發(fā)送方發(fā)送第1個(gè)數(shù)據(jù)包，內(nèi)容包括雙方的序列號(hào)、雙方的標(biāo)識(shí)以及消息類型，以及用共享的會(huì)話密鑰對(duì)上述信息生成的消息認(rèn)證碼；

2）接收方接收并驗(yàn)證數(shù)據(jù)包后，發(fā)送第2個(gè)數(shù)據(jù)包，內(nèi)容包括雙方的序列號(hào)、雙方的標(biāo)識(shí)、消息類型以及用共享的會(huì)話密鑰對(duì)上述信息生成的消息認(rèn)證碼；

3）發(fā)送方接收并驗(yàn)證數(shù)據(jù)包后，發(fā)送第3個(gè)數(shù)據(jù)包，通知接收方刪除與自己的連接，同時(shí)刪除與接收方的連接數(shù)據(jù)；

4）接收方接收并驗(yàn)證數(shù)據(jù)包后，刪除與發(fā)送方的連接數(shù)據(jù)。

至此，通信雙方的連接釋放成功。

3 數(shù)據(jù)交換過程

3.1 載荷數(shù)據(jù)包的格式

當(dāng)連接建立完成后，通信雙方開始按照協(xié)商的安全方式進(jìn)行通信，載荷數(shù)據(jù)包的格式如圖3所示。

其中數(shù)據(jù)包序列號(hào)（32位）是一個(gè)遞增的計(jì)數(shù)器，用于反重放攻擊。當(dāng)連接建立后，發(fā)送方序列號(hào)值初始化為1，每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，它的值增加1。當(dāng)此值達(dá)到最大值232-1時(shí)，發(fā)送方必須終止該連接，并重新建立一個(gè)新的連接。數(shù)據(jù)包處理動(dòng)作（32位）指明了接收此數(shù)據(jù)包后應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行怎樣的處理。可變長(zhǎng)載荷數(shù)據(jù)是一個(gè)傳輸層負(fù)荷，如果數(shù)據(jù)要求保密，則這部分?jǐn)?shù)據(jù)就是加密后的數(shù)據(jù)。此外，如果加密算法需要初始向量，那么該向量存放在此域的前面，它的長(zhǎng)度由安全參數(shù)指定；填充區(qū)（0～255位），如果加密算法要求明文必須是某個(gè)字節(jié)數(shù)的整數(shù)倍時(shí)，則該字段用于擴(kuò)展明文到所需的長(zhǎng)度。填充長(zhǎng)度（8位），用于記錄填充區(qū)的字節(jié)數(shù)；可變長(zhǎng)認(rèn)證數(shù)據(jù)，包含除認(rèn)證數(shù)據(jù)域外的數(shù)據(jù)包計(jì)算的完整性校驗(yàn)值（或簽名）。

圖3 載荷數(shù)據(jù)包的格式

3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送過程

a）系統(tǒng)接收到上層軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查是否匹配安全策略。若不匹配，則丟棄此數(shù)據(jù)包。

b）檢查數(shù)據(jù)包的類型，若為廣播包，則對(duì)其簽名，然后轉(zhuǎn)步驟c）。若類型為非廣播包，則對(duì)數(shù)據(jù)包做如下處理：

1）查找是否存在與此數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的連接（若不存在，則需先建立連接）；

2）生成數(shù)據(jù)包序列號(hào)，填寫選擇的處理動(dòng)作代碼；

3）若數(shù)據(jù)需加密傳輸，則依據(jù)雙方協(xié)商好的加密算法和會(huì)話密鑰對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密或直接通過公鑰進(jìn)行加密 (使用非對(duì)稱加密算法時(shí))；

4）根據(jù)選擇的動(dòng)作類型決定是生成消息認(rèn)證碼還是生成簽名，并依據(jù)協(xié)商好的認(rèn)證/簽名算法進(jìn)行相關(guān)的處理。

c）將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

3.3 數(shù)據(jù)接收過程

a）系統(tǒng)接收到網(wǎng)卡傳遞過來的數(shù)據(jù)包時(shí)，檢查與安全策略是否匹配。若不匹配，則丟棄此數(shù)據(jù)包。

b）檢查數(shù)據(jù)包的類型，若為廣播包，則進(jìn)行認(rèn)證處理。若認(rèn)證失敗，則丟棄此數(shù)據(jù)包；否則轉(zhuǎn)步驟c）。若類型為非廣播包，則對(duì)數(shù)據(jù)包做如下處理：

1）查找是否存在與數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的連接，若不存在，則丟棄此數(shù)據(jù)包；

2）檢查數(shù)據(jù)包序列號(hào)是否在允許接收的范圍內(nèi)，若不在，則丟棄數(shù)據(jù)包；

3）根據(jù)動(dòng)作類型決定驗(yàn)證簽名還是驗(yàn)證消息認(rèn)證碼，若驗(yàn)證失敗，則丟棄此數(shù)據(jù)包；4）若數(shù)據(jù)包已加密，則對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解密。c）將處理后的數(shù)據(jù)包傳送給上層軟件處理。

3.4 廣播包的處理

考慮到終端的負(fù)載，本方案規(guī)定，發(fā)送廣播包時(shí)不建立連接，只需在每個(gè)數(shù)據(jù)包的尾部加入簽名信息以表明發(fā)送方的真實(shí)身份，接收方可以驗(yàn)證發(fā)送方的身份。

同時(shí)為防止廣播風(fēng)暴的攻擊，規(guī)定在連續(xù)驗(yàn)證N（一般取10～15之間的值）個(gè)廣播包失敗的情況下，停止接收廣播包，同時(shí)向用戶報(bào)警。此時(shí)由用戶決定在某一時(shí)刻重新允許接收廣播包，或者等待一個(gè)較小的時(shí)間間隔后，自動(dòng)允許接收廣播包。

4 密鑰協(xié)商過程（使用非對(duì)稱加密算法）

當(dāng)會(huì)話密鑰過期（一般為30 s）且通信雙方仍需交換數(shù)據(jù)時(shí)，則需要協(xié)商新的會(huì)話密鑰。此過程涉及3個(gè)數(shù)據(jù)包的交換，具體的步驟如下：

a）發(fā)起方首先暫停發(fā)送數(shù)據(jù)包，生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)X以標(biāo)識(shí)此次密鑰協(xié)商。第1個(gè)數(shù)據(jù)包由發(fā)起方生成，內(nèi)容包括發(fā)起方的序列號(hào)、消息類型、隨機(jī)數(shù)X、發(fā)起方的公鑰、雙方標(biāo)識(shí)以及用原來的密鑰對(duì)上述信息生成的消息認(rèn)證碼（使用HMAC算法）。

b）響應(yīng)方收到發(fā)起方密鑰協(xié)商的請(qǐng)求后，首先檢查發(fā)起方的隨機(jī)數(shù)是否過期，若已過期則忽略該數(shù)據(jù)包，否則保存此隨機(jī)數(shù)。然后驗(yàn)證消息認(rèn)證碼，驗(yàn)證通過后暫停發(fā)送數(shù)據(jù)包并生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)Y以唯一標(biāo)識(shí)與發(fā)起方的此次密鑰協(xié)商。第2個(gè)數(shù)據(jù)包由響應(yīng)方生成，內(nèi)容包括雙方的序列號(hào)、雙方的標(biāo)識(shí)、消息類型和隨機(jī)數(shù)Y、響應(yīng)方的公鑰以及用原來的密鑰對(duì)上述信息產(chǎn)生的消息認(rèn)證碼（使用HMAC算法）。此時(shí)響應(yīng)方已可以計(jì)算出新的密鑰K。

c）當(dāng)發(fā)起方接收到響應(yīng)方的回復(fù)時(shí)，先檢查響應(yīng)方的隨機(jī)數(shù)Y是否過期，若已過期，則忽略此數(shù)據(jù)包；否則保存此隨機(jī)數(shù)。然后驗(yàn)證消息認(rèn)證碼，通過驗(yàn)證后，則發(fā)起方生成第3個(gè)數(shù)據(jù)包，內(nèi)容包括雙方的序列號(hào)、消息類型和雙方的公鑰、雙方的隨機(jī)數(shù)、雙方的標(biāo)識(shí)以及用新的密鑰對(duì)上述信息產(chǎn)生的消息認(rèn)證碼（使用HMAC算法）。生成第3個(gè)數(shù)據(jù)包的目的是告訴響應(yīng)方已經(jīng)成功地收到了密鑰協(xié)商參數(shù)。此時(shí)，發(fā)起方也可以計(jì)算出新的密鑰K。

d）當(dāng)響應(yīng)方收到表示發(fā)起方密鑰協(xié)商完成的數(shù)據(jù)包后，驗(yàn)證消息認(rèn)證碼，驗(yàn)證通過則此次密鑰協(xié)商已經(jīng)完成。

5 實(shí)驗(yàn)分析

在Windows 7 Pro上實(shí)現(xiàn)上述協(xié)議后，通過對(duì)HTTP和FTP協(xié)議進(jìn)行速度測(cè)試（各取10次測(cè)試的平均值），數(shù)據(jù)如圖4所示。

（注：對(duì)稱加密算法是指高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)算法AES，密鑰長(zhǎng)度為128位。非對(duì)稱加密算法是指CPK加密算法[5]，密鑰長(zhǎng)度為256位。消息認(rèn)證碼由SHA1算法和會(huì)話密鑰產(chǎn)生。）

圖4 不同動(dòng)作類型的處理速度

由圖4可知，使用本方案后對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度會(huì)有所影響，而且，不同的動(dòng)作類型對(duì)傳輸速度的影響也不一樣。尤其是采用非對(duì)稱加密算法后，由于需要進(jìn)行大量的計(jì)算，對(duì)傳輸速度的影響比較大。

6 結(jié)束語(yǔ)

該協(xié)議通過對(duì)數(shù)據(jù)包采取編號(hào)、簽名、加密等措施后，保障了物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，可提供通信中身份認(rèn)證以及數(shù)據(jù)機(jī)密性保護(hù)、數(shù)據(jù)完整性保護(hù)、反重放攻擊保護(hù)和不可抵賴保護(hù)等功能。

[1]STALLINGS W.Cryptography and network security principlesand practices[M].4th ed.New Jersey：Prentice Hall，2005.

[2]HARN L，REN J.Design of fully deniable authentication service for E-mail applications[J].IEEE Communications Letters，2008，12（3）：219-221.

[3]CHOU W.Inside SSL：accelerating secure transactions[J].IT Professional，2002，4（5）：37-41.

[4]OPPLIGER R.Security at the internet layer[J].Computer，1998，31：43-47.

[5]南湘浩.基于CPK的標(biāo)識(shí)認(rèn)證[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.