《電子技術(shù)應(yīng)用》
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物聯(lián)網(wǎng)安全與隱私保護(hù)研究
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
王和平,,景鳳宣
(貴州師范大學(xué) 貴州省信息與計(jì)算科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,貴州 貴陽 550001)
摘要: 隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展及應(yīng)用的不斷深入,,其安全和隱私問題變得越來越突出,。本文分析了物聯(lián)網(wǎng)各層的隱私安全威脅,,對現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)隱私保護(hù)的技術(shù)和方法進(jìn)行了對比分析,,給出了物聯(lián)網(wǎng)隱私保護(hù)的研究方向,。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展及應(yīng)用的不斷深入,,其安全和隱私問題變得越來越突出,。本文分析了物聯(lián)網(wǎng)各層的隱私安全威脅,,對現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)隱私保護(hù)的技術(shù)和方法進(jìn)行了對比分析,給出了物聯(lián)網(wǎng)隱私保護(hù)的研究方向,。

  關(guān)鍵詞: 物聯(lián)網(wǎng),;隱私保護(hù);匿名化,;加密

0 引言

  物聯(lián)網(wǎng)概念自提出以來,,便受到各界的廣泛關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的又一次浪潮,。目前,,物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在智慧電力、智能家居,、醫(yī)療健康,、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用,正改變著人類的生活和工作方式,。

  然而,,物聯(lián)網(wǎng)的安全與隱私保護(hù)問題嚴(yán)重阻礙了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,因此研究物聯(lián)網(wǎng)隱私保護(hù),,并制定出良好的隱私保護(hù)解決方案,,對推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及應(yīng)用具有十分重要的意義。

  目前,業(yè)界對物聯(lián)網(wǎng)隱私保護(hù)進(jìn)行了部分研究工作,。參考文獻(xiàn)[1]提出了一種基于P2DR2(Policy,,Protection,Detection,,Response,,Restore)的動(dòng)態(tài)安全防御模型,其方法是采用分層設(shè)計(jì)和多種安全機(jī)制的思想來應(yīng)對安全威脅,。參考文獻(xiàn)[2]提出從技術(shù)和法律兩方面應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)的安全和隱私問題,。但對物聯(lián)網(wǎng)安全和隱私保護(hù)的系統(tǒng)性研究還不多。本文分析了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)結(jié)構(gòu)中各層中的隱私威脅,,對現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)隱私保護(hù)方法的利弊進(jìn)行了對比分析和總結(jié),。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

  1.1 物聯(lián)網(wǎng)概念

  1999年美國麻省理工學(xué)院(MIT)首次提出了物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things,IoT)的概念[3],。國際電信聯(lián)盟(ITU)2005年度報(bào)告中提到:物聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間,、任何地點(diǎn)、任何人,、任何物體之間的信息通信[4],。物聯(lián)網(wǎng)有3大特征:一是全面感知,即通過RFID(Radio Frequency Identification)和傳感器等傳感設(shè)備隨時(shí)隨地獲取物體的相關(guān)數(shù)據(jù)和位置信息,;二是可靠傳輸,,即通過將物體接入網(wǎng)絡(luò),利用通信網(wǎng)絡(luò),,將物體的信息進(jìn)行可靠的傳輸,;三是智能處理,即利用各種智能計(jì)算技術(shù),,對感知到的海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理,實(shí)現(xiàn)智能化的決策和控制,。

  1.2 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

  到目前為止,,國際上還沒有制定出物聯(lián)網(wǎng)框架體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在被業(yè)界廣泛認(rèn)可的是ITU-T建議的三層架構(gòu),,包括應(yīng)用層,、網(wǎng)絡(luò)層、感知層,,物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示,。

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  物聯(lián)網(wǎng)各層的主要任務(wù)和功能如下:

  感知層:完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收集、物體感知和控制,。感知層包含兩個(gè)部分:感知節(jié)點(diǎn)和感知層網(wǎng)絡(luò),。感知節(jié)點(diǎn)用來采集數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)對物體的控制,感知層網(wǎng)絡(luò)將感知節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)或?qū)⒅噶畎l(fā)送到感知節(jié)點(diǎn)控制器。

  網(wǎng)絡(luò)層:把感知層采集的數(shù)據(jù)傳輸至處理層,,處理層再對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理,。數(shù)據(jù)傳輸主要通過2G、3G等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn),。處理層采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,、聚合和處理。

  應(yīng)用層:根據(jù)具體行業(yè)和用戶需求,,實(shí)現(xiàn)具體的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù),。目前物聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)有:智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市,、環(huán)境監(jiān)測,、工業(yè)控制等。

2 物聯(lián)網(wǎng)安全隱私威脅

  物聯(lián)網(wǎng)的隱私威脅大致分為兩類:基于數(shù)據(jù)的安全威脅和基于位置的安全威脅,?;跀?shù)據(jù)的安全威脅包括數(shù)據(jù)傳輸、中間處理結(jié)果等數(shù)據(jù)丟失泄露,,主要發(fā)生在感知層和處理層,。基于位置的隱私威脅包括RFID閱讀器位置隱私,、RFID使用者位置隱私,,物聯(lián)網(wǎng)傳輸節(jié)點(diǎn)信息時(shí),節(jié)點(diǎn)信息就有可能被跟蹤或泄露,。

  2.1感知層的安全威脅

  感知層面臨的威脅主要有針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)的安全威脅和針對射頻識別(RFID)的安全威脅,。

  (1)針對WSN的安全威脅

  WSN的安全威脅主要是傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸安全,。由于傳感節(jié)點(diǎn)大多部署在無人監(jiān)控的環(huán)境,,無線本身存在開放性,因此無線傳輸易受到外界干擾和非法用戶攻擊,。針對WSN的主要威脅如表1所示,。

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  (2)針對RFID的安全威脅

  RFID的安全威脅主要指在RFID閱讀器和標(biāo)簽進(jìn)行通信時(shí)遭到的攻擊,,此類攻擊通常會(huì)導(dǎo)致用戶隱私泄露,。此外,還由于RFID標(biāo)簽是可擦寫的,,因此RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)的安全性和有效性將得不到保證,。RFID面臨的安全威脅如表2所示。

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  2.2 網(wǎng)絡(luò)層安全威脅

  網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)將傳感層采集的數(shù)據(jù)傳送到處理層,,以便處理層對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和決策,。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常采用無線技術(shù),,而無線數(shù)據(jù)容易被竊聽、修改,、插入,、刪除和重傳。

  2.3 應(yīng)用層安全威脅

  應(yīng)用層的安全威脅主要包括數(shù)據(jù)處理和業(yè)務(wù)控制,、管理和認(rèn)證機(jī)制,、個(gè)人隱私保護(hù)等。由于傳感節(jié)點(diǎn)大都處于無人值守的狀態(tài),,所以面臨節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)配置的問題,。在物聯(lián)網(wǎng)具體應(yīng)用中,傳感節(jié)點(diǎn)會(huì)收集用戶大量隱私數(shù)據(jù),,用戶的這些隱私數(shù)據(jù)極易遭到泄露,。

  3 物聯(lián)網(wǎng)隱私保護(hù)方法

  目前,隱私保護(hù)技術(shù)在數(shù)據(jù)挖掘和無線傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域已得到初步應(yīng)用,。根據(jù)前面講到的隱私威脅分類可以將隱私保護(hù)技術(shù)劃分為三類:

 ?。?)匿名化處理方法

  采用匿名化算法,將用戶的敏感信息進(jìn)行修改和隱藏,,防止非法用戶識別關(guān)鍵信息,。

  定義1  K-匿名化。設(shè)原始數(shù)據(jù)表為PT(A1,,…,,An),匿名化后數(shù)據(jù)表RT(A1,,…An),,QIRT是與其對應(yīng)的準(zhǔn)標(biāo)志符。RT的每一條數(shù)據(jù)記錄與其他k-1條數(shù)據(jù)記錄具有相同的準(zhǔn)標(biāo)志符屬性值,。表3為病人醫(yī)療檔案表,,表4是表3的K-匿名化表。

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 ?。?)加密類方法

  通過加密技術(shù),,將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理,以防隱私被泄露或被非法竊取,。同態(tài)加密技術(shù)和多方計(jì)算技術(shù)(Secure Multi-Party Computation)是常用的加密類方法。

  定義2 同態(tài)加密是采用同態(tài)原理的一種加密函數(shù),,不須知道解密函數(shù),,直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。它的形式化定義如下:設(shè)x和y是明文空間M中的元素,,是M上的運(yùn)算,,EK()是M上密鑰空間為K的加密函數(shù),,則稱加密函數(shù)EK()對運(yùn)算是同態(tài)的,如果存在一個(gè)有效的算法A使得:

  A(EK(x),,EK(y))=EK(xy)

  定義3 安全多方計(jì)算(SMC)用于解決一組互不信任的參與方之間保護(hù)隱私的協(xié)同計(jì)算問題,,SMC要確保輸入的獨(dú)立性和計(jì)算的正確性,同時(shí)不泄露各輸入值給參與計(jì)算的其他成員,??梢悦枋龀桑?/p>

  n個(gè)成員p1,p2,,…,,pn分別持有秘密的輸入x1,x2,,…,,xn,試圖計(jì)算函數(shù)值f(x1,,x2,,…,xn),,其中f為給定的函數(shù),,在此過程中,每個(gè)成員i僅知道自己的輸入數(shù)據(jù)xi,,最后的計(jì)算結(jié)果f(x1,,x2,…,,xn)返回給每個(gè)成員,。

  (3)路由協(xié)議方法

  路由協(xié)議方法通過對WSN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)路由的協(xié)議控制,,實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)的保護(hù),,主要用于無線傳感節(jié)點(diǎn)位置隱私保護(hù)。路由協(xié)議方法采用隨機(jī)路由配置策略,,數(shù)據(jù)包在傳送時(shí),,傳輸路由不都是從源節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳送的,且轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包不定時(shí)向匯聚節(jié)點(diǎn)相反的方向傳送,。數(shù)據(jù)包傳輸過程中所采用的傳送路徑是隨機(jī)分配的,,以防止節(jié)點(diǎn)位置被準(zhǔn)確獲取。

  3.1 匿名化技術(shù)在隱私保護(hù)中的具體應(yīng)用

  3.1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)位置的隱私保護(hù)

  參考文獻(xiàn)[5]提出一種基于臨時(shí)位置信息的偽造位置隱私的改進(jìn)方案,,通過對空間位置的偽裝,,完成對真實(shí)節(jié)點(diǎn)位置的掩蓋,使得節(jié)點(diǎn)的位置信息得到有效保護(hù),。實(shí)現(xiàn)了WSN數(shù)據(jù)和位置信息的同時(shí)保護(hù),。

  3.1.2 基于位置服務(wù)的隱私保護(hù)

  如果用戶向位置服務(wù)器發(fā)送服務(wù)請求,,就需要對用戶的位置信息進(jìn)行保護(hù)。參考文獻(xiàn)[6]提出基于匿名通信原理和可計(jì)算加密算法的一種LBS隱私保護(hù)安全模型,,采用Onion Routing算法和全同態(tài)加密算法實(shí)現(xiàn),,實(shí)現(xiàn)位置信息和服務(wù)內(nèi)容的隱私保護(hù)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,,該方法具有很高的匿名性和高安全性,。缺點(diǎn)是算法復(fù)雜度較高。

  3.1.3 數(shù)據(jù)查詢的隱私保護(hù)

  當(dāng)用戶向服務(wù)器請求查詢服務(wù)時(shí),,有可能造成用戶數(shù)據(jù)的泄露,。參考文獻(xiàn)[7]采用K-匿名算法,通過直接匿名化數(shù)據(jù)計(jì)算標(biāo)識符對敏感屬性效用的方法,,保護(hù)數(shù)據(jù)隱私,,缺點(diǎn)是算法性能不好。

  匿名化方法用途廣泛,,可同時(shí)用于數(shù)據(jù)隱私保護(hù)和位置隱私保護(hù),,并且算法簡單、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)少,、網(wǎng)絡(luò)消耗低,。缺點(diǎn)是保護(hù)數(shù)據(jù)隱私時(shí),造成原始數(shù)據(jù)的丟失,,影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,。

  3.2 加密類方法在隱私保護(hù)中的具體應(yīng)用

  3.2.1 RFID的隱私保護(hù)

  RFID的隱私問題主要有:RFID使用者的隱私信息和RFID閱讀器位置隱私等。

  參考文獻(xiàn)[8]提出一種基于Hash函數(shù)的雙向認(rèn)證協(xié)議,,有效解決RFID系統(tǒng)的安全隱患問題,,該協(xié)議成本低、負(fù)載小,,適用于大規(guī)模的電子標(biāo)簽系統(tǒng),,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

  Hash函數(shù)運(yùn)算量小,,資源損耗低,,能有效保護(hù)RFID信息。缺點(diǎn)是RFID的數(shù)目與服務(wù)器端的負(fù)載成正比,。

  近年來,,國內(nèi)一些學(xué)者還提出了一些其他的RFID隱私保護(hù)方法,參考文獻(xiàn)[9]在綜合硬件設(shè)備,、安全性和成本因素后,,提出一種輕量級加密協(xié)議——HB家族協(xié)議,實(shí)現(xiàn)對RFID系統(tǒng)的高效認(rèn)證,。該協(xié)議對計(jì)算量和存儲(chǔ)量均要求不高,,適用于電子標(biāo)簽類的設(shè)備。參考文獻(xiàn)[10]提出一種使用口令提升RFID協(xié)議安全性的方法,,須具備口令才可通過用戶認(rèn)證,,該方法主要用于低成本被動(dòng)式電子標(biāo)簽,與高強(qiáng)度加密方法不同的是,,沒有增加標(biāo)簽成本,。

  3.2.2 WSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)隱私保護(hù)

  參考文獻(xiàn)[11]介紹了當(dāng)前3種典型的數(shù)據(jù)聚合隱私保護(hù)協(xié)議,詳細(xì)分析了基于擾動(dòng)技術(shù),、基于數(shù)據(jù)分片和基于同態(tài)加密等三種方法的數(shù)據(jù)聚合隱私保護(hù)協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn),,能提供很高的數(shù)據(jù)聚合結(jié)果的準(zhǔn)確性和隱私保護(hù)性,缺點(diǎn)是計(jì)算量和通信開銷較大,。

  3.2.3 數(shù)據(jù)挖掘隱私保護(hù)

  參考文獻(xiàn)[11]提出基于全同態(tài)加密協(xié)議和數(shù)據(jù)擾動(dòng)方法的隱私保護(hù)聚類模型,,該協(xié)議主要針對垂直式分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),通過添加隨機(jī)向量擾亂原始數(shù)據(jù)和全同態(tài)加密協(xié)議,,有效防范了原始數(shù)據(jù)的泄露,,在保護(hù)原始數(shù)據(jù)的同時(shí),也保護(hù)了中間計(jì)算結(jié)果,。

  此類加密算法采用同態(tài)加密協(xié)議,,對隱私數(shù)據(jù)加密處理,能同時(shí)保護(hù)源數(shù)據(jù)和中間結(jié)果的隱私性,。缺點(diǎn)是算法性能較差,,運(yùn)算量大,通信開銷大,。

  3.3 路由協(xié)議方法的具體應(yīng)用

  參考文獻(xiàn)[11]提出一種數(shù)據(jù)源位置隱私保護(hù)策略,,利用匿名機(jī)制和幻影單徑路由協(xié)議,實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)的匿名,,從而提高數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的位置隱私安全,。

  路由協(xié)議方法需要發(fā)送大量的信息來實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù),因此通信開銷較大,、通信延時(shí)長,。

4 總結(jié)

  針對物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)安全隱私威脅,對物聯(lián)網(wǎng)隱私保護(hù)方法如表5所示歸納,。

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  使用匿名化技術(shù),、加密技術(shù)、路由協(xié)議技術(shù)對隱私保護(hù)的對比分析如表6所示,。

  我國的物聯(lián)網(wǎng)研究起步雖晚,,但發(fā)展迅速,并取得了一些科技成果,,但仍有一些問題需要我們?nèi)パ芯拷鉀Q,。首先是技術(shù)問題,,應(yīng)該進(jìn)一步完善現(xiàn)有的隱私保護(hù)技術(shù)。對于文中提出到的三種隱私保護(hù)技術(shù),,應(yīng)該研究如何提高匿名化方法的隱私保護(hù)程度,、降低同態(tài)加密技術(shù)的算法復(fù)雜度、減少路由協(xié)議技術(shù)的通信開銷等,。其次就是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的隱私保護(hù)問題,。多網(wǎng)融合是未來發(fā)展的必然趨勢,融合后的網(wǎng)絡(luò)隱私保護(hù)將是一項(xiàng)嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn),。

  任何事物都有其兩面性,。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在給人們帶來經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活便利的同時(shí),又帶來一些信息安全和隱私泄露等方面的問題,。相信在不遠(yuǎn)的將來,,問題將會(huì)得到解決,“感知中國”將不再是夢想,。

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