肖益珊 ,張 尼 ,劉廉如 ,張忠平
(1.宜通世紀科技股份有限公司,廣東 廣州 510630;2.宜通世紀物聯(lián)網(wǎng)研究院(廣州)有限公司,廣東 廣州 510665;3.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所,北京100083)
在物聯(lián)網(wǎng)賦能千行百業(yè),驅(qū)動傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中,大量的傳統(tǒng)設備受限于計算能力、節(jié)能要求造成安全防護能力不匹配、不同步。終端形態(tài)多樣化、接入方式泛在化、業(yè)務應用融合化、防護邊緣模糊化,給物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務安全帶來很多不確定性。新形勢造就新需求, 新特性導致新挑戰(zhàn),物聯(lián)網(wǎng)面臨的安全風險與挑戰(zhàn)呈現(xiàn)復雜化、多元化、碎片化特點,具體挑戰(zhàn)包括:傳統(tǒng)行業(yè)安全防護起步晚,安全基礎設施與安全意識薄弱;分散的終端設備易受攻擊,物理保障難;IT 和 OT 的融合,加之連接規(guī)模的快速增長,導致攻擊面擴大,攻擊危害易擴散;用戶行為的多樣與應用場景的復雜交織纏繞,加劇了威脅特征抽取與識別的難度,建模分析和模式識別應用效果不明顯;物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)種類多、范圍廣、類型雜,傳統(tǒng)傳輸協(xié)議安全性設計存在缺陷,為用戶數(shù)據(jù)隱私保護增加了難度;物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務涉及的合作伙伴多,產(chǎn)業(yè)鏈條長,存在安全責任邊界模糊、界面劃分不清的風險[1-3]。
物聯(lián)網(wǎng)安全威脅分析與建模對物聯(lián)網(wǎng)安全需求的歸納總結(jié)、安全防護方案的制定至關重要。安全威脅建模的步驟包括:識別待保護的資產(chǎn)、創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)視圖、識別威脅、記錄威脅、對威脅進行評級。
常用的威脅識別技術(shù)包括威脅識別模型STRIDE和威脅評級模型DREAD。STRIDE 模型用來識別常見的6 種威脅,包括身份假冒(Spoofing)、篡改(Tampering)、抵賴(Repudiation)、信 息泄 露(Information Disclosure)、拒絕服務(Denial of Service)、權(quán)限提升(Elevation of Privilege)。DREAD 模型用來對威脅進行評級,包括潛在的損失(Damage Potential)、重現(xiàn)性(Reproducibility)、可利用性(Exploitability)、受影響用戶(Affected users)、可發(fā)現(xiàn)性(Discoverability)。
通常,物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層, 對各層主要安全威脅進行分析,可以進一步總結(jié)對應的安全需求[2,4-7]。
感知層的安全威脅主要包括物理攻擊、終端缺乏更新機制導致的軟件漏洞風險、病毒或惡意軟件感染、惡意訪問或操控、偽造或假冒攻擊、信號泄露與干擾、資源耗盡攻擊、敏感數(shù)據(jù)泄露威脅、服務中斷風險等。
網(wǎng)絡層的安全威脅主要包括網(wǎng)絡安全協(xié)議漏洞和缺陷;異構(gòu)網(wǎng)絡融合引入的身份認證、密鑰協(xié)商、數(shù)據(jù)機密性與完整性保護等問題;無線傳輸中數(shù)據(jù)被竊取、篡改或刪除問題;非授權(quán)接入和訪問網(wǎng)絡;阻塞干擾、女巫攻擊、洪泛攻擊、選擇轉(zhuǎn)發(fā)攻擊、非公平攻擊、碰撞攻擊、拒絕服務攻擊、中間人攻擊和假冒基站攻擊;運營商網(wǎng)絡側(cè)批量應急管控風險等。
平臺層的安全威脅主要包括隱私數(shù)據(jù)泄露、惡意代碼攻擊等安全攻擊;虛擬機逃逸、虛擬機鏡像文件泄露、虛擬網(wǎng)絡攻擊、虛擬化軟件漏洞等虛擬化安全問題;平臺組件、操作系統(tǒng)和服務程序漏洞和設計缺陷導致未授權(quán)訪問、 數(shù)據(jù)篡改和泄露等;篡改數(shù)據(jù)的重編程攻擊、數(shù)據(jù)服務阻塞、錯亂定位服務攻擊、破壞隱藏位置目標攻擊、破壞數(shù)據(jù)融合的攻擊等。
應用層威脅主要包括病毒、蠕蟲、木馬、不受歡迎應用程序、遠程攻擊和人員威脅等。
世界各國在物聯(lián)網(wǎng)安全領域積極推動相關政策法規(guī)、技術(shù)規(guī)范制定和標準化工作[8]。
美國對物聯(lián)網(wǎng)安全十分重視,從戰(zhàn)略、政策、立法等維度協(xié)同推進物聯(lián)網(wǎng)安全的落地實踐。2016年12月,美國國土安全部發(fā)布了《物聯(lián)網(wǎng)安全策略原則》,制定了設計、制造和部署物聯(lián)網(wǎng)設備的安全原則,包括:設計階段需考慮的安全問題;漏洞管理、修復及安全更新;最佳安全實踐及操作方法;基于風險管理優(yōu)先級聚焦安全措施;提升供應鏈透明性;持續(xù)接入互聯(lián)網(wǎng),永久在線必要性的判定等。2017年8月,美國兩黨議員向國會提交了一份關于物聯(lián)網(wǎng)安全的法案《2017 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡安全改進法》,旨在通過制定政府采購和使用物聯(lián)網(wǎng)設備的行業(yè)安全標準來改善美政府所面臨的物聯(lián)網(wǎng)安全挑戰(zhàn)。2018年1月,美國商務部與國土安全部聯(lián)合出臺網(wǎng)絡安全報告草案《提高互聯(lián)網(wǎng)與通信生態(tài)系統(tǒng)對僵尸網(wǎng)絡及其他自動分布式威脅的抵御能力》。2019年6月,美國政府通過了《2019年物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡安全改進法案》,該法案希望對聯(lián)邦政府采購和使用的任何物聯(lián)網(wǎng)設備設定最低的安全標準,以確保網(wǎng)絡安全的基線。
歐盟對物聯(lián)網(wǎng)安全的保障工作側(cè)重在安全基線的設置及用戶隱私數(shù)據(jù)的保護。2017年11月,歐洲網(wǎng)絡和信息安全管理局發(fā)布了《歐盟關鍵信息基礎設施環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)安全基線指南》,梳理分析了物聯(lián)網(wǎng)的安全需求、威脅態(tài)勢、風險趨勢,提出了物聯(lián)網(wǎng)安全基線分析框架,旨在為歐盟在關鍵信息技術(shù)設施領域應用物聯(lián)網(wǎng)提供部署指導和實踐指南。2018年5月25日正式生效的歐盟《通用數(shù)據(jù)保護條例》(General Data Protection Regulation,GDPR),為保護歐盟用戶個人數(shù)據(jù)提供了重要法律依據(jù),在增強數(shù)據(jù)主體對于個人數(shù)據(jù)的控制能力同時,也對企業(yè)保障實現(xiàn)數(shù)據(jù)主體的權(quán)利提出了具體要求,如規(guī)定了企業(yè)對客戶數(shù)據(jù)的搜集、存儲、使用的規(guī)范和準則。
日本將終端設備安全保護作為對于物聯(lián)網(wǎng)安全防護的核心和重點。2017年10月,總務省基于內(nèi)閣網(wǎng)絡安全中心發(fā)表的《關于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全的總體框架》出臺了《物聯(lián)網(wǎng)安全綜合對策》,提前部署物聯(lián)網(wǎng)安全對策。2019年2月,總務省設立新規(guī),要求物聯(lián)網(wǎng)設備必須具有防非法登錄功能,并于2020年4月開始實行。
中國物聯(lián)網(wǎng)安全戰(zhàn)略定位清晰明確,采取頂層設計與應用推廣相結(jié)合,技術(shù)手段和管理措施統(tǒng)籌兼顧的策略。2013年2月,國務院頒布了《關于推進物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導意見》,指出了建立健全物聯(lián)網(wǎng)安全測評、風險評估、安全防范、應急處置等機制。2016年12月,工信部發(fā)布了《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃物聯(lián)網(wǎng)分冊(2016-2020年)》,明確了要增強物聯(lián)網(wǎng)基礎設施、重大系統(tǒng)、重要信息等安全保障能力。2020年5月,工信部發(fā)布了《關于深入推進移動物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》,指出了要從移動物聯(lián)網(wǎng)基礎安全夯實、移動物聯(lián)網(wǎng)安全防護和數(shù)據(jù)保護加強等方面建立健全移動物聯(lián)網(wǎng)安全保障體系。
在標準制定方面,ISO/IEC、ITU-T、ETSI、全國信息安全標準化技術(shù)委員會(SAC/TC260)、中國通信標準化協(xié)會(CCSA)等國內(nèi)外標準組織積極推進物聯(lián)網(wǎng)安全標準化工作。
ISO/IEC JTC1/SC27(信息技術(shù)委員會/安全技術(shù)分委員會)、SC41(物聯(lián)網(wǎng)及相關技術(shù)分委員會)、SC25(信息技術(shù)設備互聯(lián)分委員會)分別圍繞著信息安全、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能家居、家庭網(wǎng)關等領域制定相關標準,如安全體系架構(gòu)、輕量級加密、認證鑒權(quán)、隱私控制與保護等安全技術(shù)。
ITU-T SG17(安全研究組)負責物聯(lián)網(wǎng)通信安全研究和標準制定工作,SG20/Q6(物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市研究組/安全、隱私保護、信任和識別課題組)側(cè)重于物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市的安全標準。SG17 圍繞安全框架、加密規(guī)程、窄帶物聯(lián)網(wǎng)安全要求、物聯(lián)網(wǎng)安全事件操作日志格式、安全控制措施、設備和網(wǎng)關安全要求、平臺安全要求與框架等方面規(guī)劃了物聯(lián)網(wǎng)安全系列標準。
ETSI(歐洲電信標準化協(xié)會)網(wǎng)絡安全技術(shù)委員會于 2019年2月發(fā)布了《消費類物聯(lián)網(wǎng)安全》,旨在提供聯(lián)網(wǎng)消費類物聯(lián)網(wǎng)設備的安全基線,為物聯(lián)網(wǎng)的認證授權(quán)、安全威脅評估、安全機制分析等領域奠定基礎。
針對物聯(lián)網(wǎng)安全問題,我國也在積極布局和推進物聯(lián)網(wǎng)安全標準制定工作。以全國信息安全標準化技術(shù)委員會(SAC/TC260)、中國通信標準化協(xié)會(CCSA)、車載信息服務產(chǎn)業(yè)應用聯(lián)盟(TIAA)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(AII)為代表的國內(nèi)相關標準化機構(gòu)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟紛紛啟動開展了物聯(lián)網(wǎng)安全相關標準體系的建設工作。圖1 所示為物聯(lián)網(wǎng)安全標準主題。
圖1 物聯(lián)網(wǎng)安全標準主題
全國信息安全標準化技術(shù)委員會(SAC/TC260)在 2018年12月 28日正式發(fā)布了 27 項國家標準,其中涉及物聯(lián)網(wǎng)安全的有《信息安全技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)安全參考模型及通用要求》《信息安全技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)感知終端應用安全技術(shù)要求》《信息安全技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)感知層網(wǎng)關安全技術(shù)要求》《信息安全技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)感知層接入通信網(wǎng)的安全要求》《信息安全技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸安全技術(shù)要求》5 個標準, 已于 2019年7月 1日正式施行。
中國通信標準化協(xié)會(CCSA)在物聯(lián)網(wǎng)安全的標準化工作主要聚焦在通信網(wǎng)絡和系統(tǒng),由TC5(無線通信技術(shù)委員會)和TC8(網(wǎng)絡與信息安全技術(shù)委員會)負責標準制定,規(guī)劃和完成的代表性標準包括《物聯(lián)網(wǎng)管理平臺安全防護要求》《物聯(lián)網(wǎng)標識解析安全技術(shù)要求》《基于SIM 卡的物聯(lián)網(wǎng)安全服務技術(shù)要求》《物聯(lián)網(wǎng)類終端通用安全技術(shù)要求和測試方法》《物聯(lián)網(wǎng)安全態(tài)勢感知技術(shù)要求》《基于信任根的物聯(lián)網(wǎng)設備系統(tǒng)安全技術(shù)要求》《物聯(lián)網(wǎng)感知層協(xié)議安全技術(shù)要求》《物聯(lián)網(wǎng)終端嵌入式操作系統(tǒng)安全技術(shù)要求》《物聯(lián)網(wǎng)安全分級分類管理技術(shù)要求》等。
國內(nèi)外的相關標準組織圍繞著物聯(lián)網(wǎng)的基礎與通用安全、感知設備安全、網(wǎng)絡與交換安全、應用與服務安全、數(shù)據(jù)安全、安全管理與運維等方面開展全面的標準制定工作。在政策引導和標準牽引下,產(chǎn)業(yè)界圍繞安全技術(shù)、安全產(chǎn)品、安全解決方案和安全服務等領域構(gòu)建健康的安全生態(tài),驅(qū)動物聯(lián)網(wǎng)與各行各業(yè)相互滲透,為構(gòu)建自主安全、開放協(xié)同、融合共享的產(chǎn)業(yè)環(huán)境,共同構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)安全的防護網(wǎng)。
SerIoT 項目旨在通過集成認知路由的 SDN、霧計算、物聯(lián)網(wǎng)蜜罐、區(qū)塊鏈、可視化分析、決策支持和基于硬件啟動的物聯(lián)網(wǎng)設備認證等技術(shù)提供架構(gòu)驅(qū)動的安全解決方案,以解決廣泛的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡安全威脅[9]。
圖2 ISO/IEC 30141 物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)域視圖
綜合考慮物聯(lián)網(wǎng)端到端系統(tǒng)視圖的全面性和社區(qū)的開放性與活躍度,SerIoT 物聯(lián)網(wǎng)安全參考模型選擇基于ISO/IEC 30141 物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)。ISO/IEC 30141 物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)的域視圖如圖 2 所示,包括物理實體域(Physical Entity Domain,PED)、傳感與控制域(Sensing&Controlling Domain,SCD)、運營和管理域(Operation&Management Domain,OMD)、資源與交換域(Resource&Interchange Domain,RID)、應用服務域(Application Service Domain,ASD) 和用戶域(User Domain,UD)。
SerIoT 物聯(lián)網(wǎng)安全參考模型由 SerIoT 管理功能和 SerIoT 網(wǎng)絡基礎架構(gòu)兩部分組成。SerIoT 管理功能解決物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡管理,物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、異常檢測與決策支持, 物聯(lián)網(wǎng)設備安全與隱私保護;SerIoT 網(wǎng)絡架構(gòu)以 SDN 基礎設施、物聯(lián)網(wǎng)蜜罐和霧節(jié)點/邊緣節(jié)點為基礎。模型架構(gòu)如圖 3 所示。
SerIoT 管理域支持傳感與控制域、應用服務域、資源與交換域之間的安全網(wǎng)絡通信,并在決策支持和可視化分析的上下文為SerIoT 用戶域提供管理接口,以實現(xiàn)人為應對安全風險和實施安全對策。
SerIoT SDN 基礎設施通過邊緣轉(zhuǎn)發(fā)器和核心轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)使能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通信,SerIoT 路由引擎是網(wǎng)絡管理功能的核心,SDN 控制器在邊緣和核心轉(zhuǎn)發(fā)器上執(zhí)行路由決策。
SerIoT 霧計算協(xié)調(diào)基板(Fog Computing Coordination Substrate)負責在邊緣側(cè)提供計算和存儲資源,實現(xiàn)資源和服務的分層管理和編排,能夠通過專用的、靠近邊緣的霧節(jié)點向物聯(lián)網(wǎng)設備提供高效透明的服務分發(fā)。SerIoT 霧管理和網(wǎng)絡編排(Fog MANO)負責在網(wǎng)絡層級和霧節(jié)點管理和控制霧基板。
SerIoT 蜜罐是模擬物聯(lián)網(wǎng)設備、網(wǎng)關或路由器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、惡意流量和惡意軟件分析的二層虛擬環(huán)境。
SerIoT 模型通過基于策略的框架和物聯(lián)網(wǎng)設備啟動服務,定義物聯(lián)網(wǎng)設備的安全和隱私保護的特定方案,并且利用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備狀態(tài)和重要事件的可信上報。
GB/T 37004-2018《信息安全技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)安全參考模型及通用要求》從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考安全分區(qū)、系統(tǒng)生存周期和基本安全防護措施三個維度描述了物聯(lián)網(wǎng)安全參考模型[10],如圖 4 所示。
物聯(lián)網(wǎng)參考安全分區(qū)從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的邏輯空間維度出發(fā),基于物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu),依據(jù)每一個域及其子域的主要安全風險和威脅,歸納相應的安全防護需求,形成感知安全區(qū)、網(wǎng)絡安全區(qū)、應用安全區(qū)和運維安全區(qū)等安全責任邏輯分區(qū)。
系統(tǒng)生存周期從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)存續(xù)時間維度出發(fā),將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)劃分為規(guī)劃設計、開發(fā)建設、運維管理、廢棄退出四個階段,并定義各階段的安全任務目標和安全防護需求。
基本安全防護措施從物理安全、網(wǎng)絡安全、系統(tǒng)安全、應用安全、運維安全和安全管理等方面,采取技術(shù)手段和管理手段并重的措施。
圖3 SerIoT 物聯(lián)網(wǎng)安全參考模型
圖4 GB/T 37004 物聯(lián)網(wǎng)安全參考模型
提出的“3T+1M 安全架構(gòu)”旨在應對物聯(lián)網(wǎng)基礎架構(gòu)中感知層、 網(wǎng)絡層和應用層的安全風險和威脅,側(cè)重端、管、云/平臺的安全協(xié)同,提供物聯(lián)網(wǎng)全局化安全態(tài)勢感知和分析檢測能力,全方位構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)安全防線,實現(xiàn)縱深防御[3,11-12]。
3T+1M 物聯(lián)網(wǎng)安全架構(gòu)如圖5所示,其核心在于終端防御、網(wǎng)絡保障和平臺保護3 個物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)族(Technologies)和 1 個安全運維與管理(Management),以應對多樣化的物聯(lián)網(wǎng)應用和業(yè)務安全威脅,構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)端到端安全防御體系。
物聯(lián)網(wǎng)終端防御技術(shù)(1T)從保障貫穿物聯(lián)網(wǎng)終端全生命周期的安全角度出發(fā),采用系統(tǒng)分域隔離防御、遠程升級修復以及設置終端之間的多重微邊界安全防線等技術(shù)手段,實現(xiàn)可信認證的終端接入安全,以及海量終端可視化統(tǒng)一安全管控。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡保障技術(shù)(1T)從網(wǎng)絡角度來補充物聯(lián)網(wǎng)終端防御的不足,從終端數(shù)據(jù)中挖掘和識別惡意行為的特征,基于惡意軟件特征庫和惡意行為模型庫實現(xiàn)行為威脅和攻擊威脅的快速檢測、決策和處置。
圖5 物聯(lián)網(wǎng)安全 3T+1M 架構(gòu)
物聯(lián)網(wǎng)平臺保護技術(shù)(1T)從平臺和數(shù)據(jù)角度為物聯(lián)網(wǎng)安全筑起第三道防線,聚焦物聯(lián)網(wǎng)平臺的安全態(tài)勢感知、數(shù)據(jù)安全與隱私保護,保障物聯(lián)網(wǎng)平臺的基礎環(huán)境安全、系統(tǒng)可用性、接入安全、數(shù)據(jù)安全和API 安全等。
物聯(lián)網(wǎng)安全運維和管理(1M)的關鍵在于制定安全運維的操作指南和應急流程規(guī)范,構(gòu)建完善安全運維工具,提升物聯(lián)網(wǎng)事前預防、事中監(jiān)控和事后處置的安全閉環(huán)管理能力。
根據(jù)上述物聯(lián)網(wǎng)安全模型和架構(gòu)分析可見,基本思路是構(gòu)建分區(qū)分域分階段的端到端安全縱深防御體系。利用安全態(tài)勢感知、多域分層入侵檢測、輕量級安全協(xié)議、惡意終端隔離、軟件定義安全邊界、協(xié)同防御等關鍵技術(shù)實現(xiàn)“云-管-端”協(xié)同聯(lián)動的閉環(huán)安全管理體系。
“萬物互聯(lián),安全先行”。物聯(lián)網(wǎng)的多源異構(gòu)性、開放性、泛在性使其面臨巨大的安全威脅,加之物聯(lián)網(wǎng)終端和應用的多樣性和復雜性,物聯(lián)網(wǎng)安全問題面臨更為嚴峻的挑戰(zhàn)。
物聯(lián)網(wǎng)安全發(fā)展經(jīng)歷了單一產(chǎn)品安全、端到端解決方案安全,正在向整體架構(gòu)安全演進,以滿足不同垂直領域應用場景的個性化安全需求。軟件定義邊界、計算資源受限的終端節(jié)點輕量化安全協(xié)議(認證加密、密鑰管理、安全認證、密鑰協(xié)商等)、去中心化可信認證、邊緣計算安全、跨域設備身份可信認證、安全態(tài)勢感知、安全可視化、虛擬化等新技術(shù)不斷涌現(xiàn),物聯(lián)網(wǎng)安全產(chǎn)品在產(chǎn)業(yè)(工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)等)和技術(shù)(大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等)的融合驅(qū)動下持續(xù)創(chuàng)新升級。
針對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展可能面臨的網(wǎng)絡安全新形勢、新需求和新特性, 需要從健全物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)標準、構(gòu)建適應物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的安全防護機制、搭建物聯(lián)網(wǎng)全生命周期立體防御體系、探索新技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)安全領域新應用等方面,聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈各方力量,共同打造物聯(lián)網(wǎng)安全生態(tài),促進物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)健康良性發(fā)展。