基于邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)安全架構(gòu)

劉大慶 劉搏方 石樂洋

（1、湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430205 2、武漢輕工大學(xué)，湖北 武漢 430048 3、西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710021）

基于邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，雖然在數(shù)據(jù)處理能力、提高網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷等方面表現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢，但是設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)方面還是存在著一些安全隱患。探索基于邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)安全架構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用方案，成為影響物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)階段，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲安全的研究較為豐富，但是關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)端到端的安全研究相對較少。開發(fā)一種基于邊緣計算設(shè)備代理的DTLS 端到端安全機(jī)制將會解決這一問題。

1 物聯(lián)網(wǎng)安全架構(gòu)的需求分析

1.1 物聯(lián)網(wǎng)安全威脅

根據(jù)安全威脅的來源不同，大體分為兩種類型：（1）來自于末端節(jié)點(diǎn)的安全威脅。例如在未經(jīng)授權(quán)的情況下，讀取節(jié)點(diǎn)信息，因?yàn)樾畔⑿孤稄亩鴰戆踩{。或者是假冒節(jié)點(diǎn)，對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能無法正常發(fā)揮等。還有就是末端節(jié)點(diǎn)兼容性、協(xié)同性差，導(dǎo)致多個節(jié)點(diǎn)之間無法實(shí)現(xiàn)信息共享，不能提供數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，也會導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)的各項(xiàng)功能無法正常實(shí)現(xiàn)。（2）來自于通信網(wǎng)絡(luò)的安全威脅。比較常見的有拒絕服務(wù)攻擊，短時間內(nèi)向物聯(lián)網(wǎng)發(fā)起大量訪問請求，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，導(dǎo)致服務(wù)器無法響應(yīng)甚至宕機(jī)，從而達(dá)到攻擊、破壞物聯(lián)網(wǎng)的目的。其他的還有中間人攻擊、重放威脅等。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)安全需求

鑒于物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行期間面臨的多種安全威脅，對物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行安全提出了以下需求：（1）保證數(shù)據(jù)在存儲期間和傳輸過程中的機(jī)密性。為保障用戶信息隱私，禁止非授權(quán)用戶非法訪問，需要對所有存儲于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器內(nèi)，或者在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部流動的數(shù)據(jù)信息，采取加密技術(shù)予以保護(hù)。（2）保證數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)在存儲或傳輸期間，有可能會因?yàn)榭陀^因素（如服務(wù)器硬件故障）或主觀因素（操作不當(dāng)），導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失、損壞，致使數(shù)據(jù)的使用價值大打折扣。可采取數(shù)據(jù)容災(zāi)備份等措施，來保證物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的完整性。（3）保證數(shù)據(jù)的可用性。數(shù)據(jù)在使用過程中才能體現(xiàn)出其價值。維護(hù)物聯(lián)網(wǎng)安全的目標(biāo)之一，就是面向授權(quán)用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)，以滿足用戶的需求。

2 基于邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)安全架構(gòu)類型

2.1 中心化的IOT

物聯(lián)網(wǎng)的中心實(shí)體為大型服務(wù)器，通過數(shù)據(jù)接口和通信線路，分別連接一端的用戶和另一端的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。用戶想要獲取數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過中心實(shí)體。服務(wù)器與智能設(shè)備相連，并且利用安裝在智能設(shè)備中的傳感器，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，對于收集到的海量數(shù)據(jù)，由服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)來源進(jìn)行分類，為下一步數(shù)據(jù)調(diào)用提供方便。用戶想要獲取數(shù)據(jù)，可在服務(wù)器的人機(jī)交互界面上輸入關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索。中心化的IOT，所有信息傳遞全部建立在中心實(shí)體服務(wù)器上，一旦該服務(wù)器崩潰，相當(dāng)于切斷了用戶獲取數(shù)據(jù)的唯一通道，數(shù)據(jù)將無法采集和傳遞。

2.2 連接內(nèi)部網(wǎng)的IOT

基于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)，在中心化IOT 的基礎(chǔ)上，又增加了一條用戶與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)直接連接的通道，形成了“雙通道”的物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸渠道。由于缺乏底層技術(shù)支持，因此基于連接內(nèi)部網(wǎng)的IOT，在實(shí)際運(yùn)行中還是以中心實(shí)體作為主要的傳輸路徑，即數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)將所得數(shù)據(jù)上傳到中心實(shí)體或云端后，暫時存儲，用戶可根據(jù)實(shí)際需要從中調(diào)取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在中心實(shí)體服務(wù)器因故障無法完成信息傳遞的情況下，管理員可手動配置開啟第二條信息傳輸通道，即用戶直接連接數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息傳遞。

2.3 分布式IOT

上述兩種IOT 都是采用線性連接，即用戶與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、中心實(shí)體之間為線性邏輯關(guān)系，不存在相互交叉，因此信息傳遞渠道比較單一。而分布式IOT 則采用更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1 所示。

根據(jù)圖1 可知，基于分布式IOT 的網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)了從以“中心實(shí)體”為中心向以“用戶”為中心的轉(zhuǎn)變。從數(shù)據(jù)傳輸渠道上來看，用戶不僅可以從中心實(shí)體以關(guān)鍵詞檢索的方式，獲取所需的數(shù)據(jù)；而且還能直接從數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中獲取所需數(shù)據(jù)。另外，不同的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)之間，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。這種分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)資源的共享水平和利用價值。

圖1 分布式IOT 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 基于邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)安全架構(gòu)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)

3.1 軟、硬件平臺

結(jié)合上文分析，可以發(fā)現(xiàn)分布式物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)具有諸多優(yōu)勢，基于邊緣計算的分布式IOT 結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于邊緣計算的分布式IOT

結(jié)合圖2，該系統(tǒng)在硬件組成上，主要有網(wǎng)關(guān)、邊緣計算設(shè)備、資源受限設(shè)備等。以邊緣計算設(shè)備為例，它的主要功能是提供邊緣計算、數(shù)據(jù)協(xié)同等服務(wù)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行需要，可以靈活配備不同數(shù)量的邊緣計算設(shè)備，以滿足資源分配和數(shù)據(jù)處理的需求。該系統(tǒng)在軟件組成上，選取Contiki 操作系統(tǒng)，使用NesC語言進(jìn)行編程開發(fā)，支持IP 協(xié)議、IEEE802.15.4 協(xié)議。

3.2 操作系統(tǒng)

該框架采用Contiki 嵌入式操作系統(tǒng)，其特點(diǎn)是可允許多任務(wù)同時操作，具備較強(qiáng)的通信數(shù)據(jù)處理能力。同時由于體積較小，因此功耗較低，系統(tǒng)運(yùn)行只需要5Kb 的RAM 和32Kb 的ROM，就可以在物聯(lián)網(wǎng)末端正常運(yùn)行。Contiki 還解決了物聯(lián)網(wǎng)資源擴(kuò)張導(dǎo)致的內(nèi)存不足的問題，較好地滿足了物聯(lián)網(wǎng)可擴(kuò)展的發(fā)展需求。基于Contiki 操作系統(tǒng)的運(yùn)行流程如圖3 所示。

圖3 基于Contiki 系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖

3.3 系統(tǒng)測試

3.3.1 搭建測試平臺

在確定了使用分布式IOT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并且分別從軟件、硬件方面確定系統(tǒng)的主要構(gòu)成后，搭建系統(tǒng)測試平臺，對物聯(lián)網(wǎng)的安全性開展測試、驗(yàn)證。使用DTLS Server 將客戶端和服務(wù)器端連接起來，實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)傳輸。客戶端基于CC2538 芯片完成控制，而服務(wù)器端基于Contiki 操作系統(tǒng)控制。在該測試平臺的物理層和MAC 層，均采用IEEE802.15.4 協(xié)議。由計算機(jī)程序控制兩個端口，同步發(fā)送指令，運(yùn)行該測試平臺。

3.3.2 測試結(jié)果分析

測試期間，DTLS 協(xié)議順利實(shí)現(xiàn)，確保了雙端通信正常。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測試了DTLS 協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程中消耗的存儲資源。分別選取了3 個不同的節(jié)點(diǎn)，資源消耗情況如表1 所示。

表1 DTLS 協(xié)議實(shí)現(xiàn)消耗的存儲資源

結(jié)合上表可知，當(dāng)Contiki 系統(tǒng)運(yùn)行基于PSK 的DTLS 協(xié)議時，消耗16.4K 的RAM，以及22.7K 的ROM。而運(yùn)行基于ECC的DTLS 協(xié)議時，則需要消耗20.8K 的RAM 和25.3K 的ROM。參考上述測試結(jié)果，基于邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)安全架構(gòu)，使用基于Contiki 系統(tǒng)的DTLS 協(xié)議，在進(jìn)一步提高通信效率的同時，還能降低對系統(tǒng)資源的占用與消耗，是一種更加理想的選擇。

結(jié)束語

邊緣計算具有低時延、高帶寬、可支持海量連接、保障信息隱私安全等功能。基于邊緣計算構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的安全架構(gòu)，在切實(shí)提高通信安全效果、降低系統(tǒng)資源消耗等方面優(yōu)勢顯著，成為新時期物聯(lián)網(wǎng)完善架構(gòu)、創(chuàng)新發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。