物联网安全威胁与区块链解决方案深度剖析

### 物联网安全威胁与区块链解决方案深度剖析 #### 1. 物联网简介 物联网（IoT）指的是大量物理设备借助传感器等嵌入式电子设备，通过相互认可的协议实现彼此通信。这些设备多数时候无需人工干预，就能依据精心设计的协议进行通信。如今，物联网设备如同人类通过网络交流一样，能与周边设备进行交互。其应用范围广泛，涵盖从消费级可穿戴设备到机器人、从汽车运输到基础设施建设、从医疗保健到环境保护等多个领域，还推动了智慧城市和智能产业的发展。 物联网设备的迅猛发展带来了诸多信息技术领域的挑战，其中数据安全、数据处理与存储以及数据影响对象等问题尤为突出。接下来，我们将重点探讨物联网的安全挑战。 #### 2. 物联网发展趋势与应用 随着物联网设备的不断增加，其为用户提供了大规模的应用场景。以下是一些重要的物联网应用： 1. **家庭自动化**：物联网助力家庭高效用电，当检测到房间内有人时，灯光和其他电器设备才会开启，无人时则自动关闭。 2. **智慧城市**：物联网在智慧城市中的应用包括优化路灯使用，仅在检测到车辆时才点亮路灯；还可用于构建自动驾驶汽车和智能停车系统。 3. **智能农业**：农业领域部署的各种传感器能帮助农民精准满足作物对水、农药、化肥、杀虫剂等的需求。 4. **医疗保健**：物联网可持续监测人体的生理参数，如血压、心率、体温等，并能检测和报告个体健康异常情况。 5. **工业领域**：在工业中，物联网用于室内空气质量检测和预警系统，以及基于多种因素预测机器性能的设备诊断。 6. **物流行业**：物联网借助GPS技术实现车队跟踪、货物运输监控和远程车辆诊断。 然而，这些应用大多规模较小，对安全的关注度不足。物联网设备通常配备小型计算设备，难以充分考虑安全问题，容易受到攻击。入侵者或黑客主要关注系统的设计缺陷，这些缺陷使他们能够轻易渗透系统，导致数据被盗。因此，了解物联网设备的现有架构，有助于构建更安全的系统。 #### 3. 物联网架构 物联网设备的设计旨在满足不同的应用需求，但也因此极易受到安全威胁。威胁往往通过系统的架构和设计缺陷传播。为了构建更可靠、强大的系统，我们需要了解以下几种常见的物联网架构： - **ETSI M2M架构**：该架构于2009年提出，旨在从端到端的角度为机器间通信制定一套标准。它包含两个领域： - **设备和网关域**：涉及网关接口的匿名传输方式。 - **网络域**：关注网络在管理层面的建立方式。 设备和网关域包含M2M区域网络、M2M设备和M2M网关等实体；网络域包含M2M应用、M2M服务能力、核心网络、接入网络、M2M管理功能和网络管理功能等实体。 - **IETF（互联网工程任务组）架构**：由IETF小组提出，是OSI模型的改进版本。为降低复杂度，该架构将多个层合并为单层，以适应受限设备。通过合并表示层和会话层形成应用支持层，并引入适应层以适配网络和物理层数据包。6LoWPAN、CORE和ROLL构成了处理M2M设备的三个工作组。IETF还通过CoAP（受限应用协议）草案描述了传输层和应用支持层使用的协议。 - **ITU - 电信部门视图架构**：主要用于连接网络以交换信息的物理设备，因此该架构中的所有设备都必须具备通信能力。该架构包含以下几个层次： - **应用层**：包含所有物联网设备特定的应用，设计上与受限设备兼容。 - **服务和应用层**：包括服务能力以及由通用服务能力支持的数据存储和处理功能。 - **网络层**：提供授权、认证、计费、移动性管理和物联网服务数据连接等功能。 - **设备层**：包括设备能力，如直接设备交互、间接交互和自组网能力，还涉及协议支持和协议转换，以桥接网络层和设备通信能力。 - **管理能力**：包括故障管理、配置管理、计费、性能评估、安全考虑、软件更新和流量管理等能力。 - **安全能力**：包括消息完整性/保密性支持、认证和授权等能力。 - **开放地理空间联盟（OGC）架构**：其功能和相关标准如下： - **Sensor ML和传感器模型语言（TML）** - **观测与测量（O&M）** - **SWE通用数据模型** - **传感器观测服务（SOS）** - **传感器规划服务（SPS）** - **PUCK**：定义了从串口（RS232）或支持以太网的传感器设备检索传感器元数据的协议。 物联网在日常生活中发挥着重要作用，它是传统人工持续监控工作的理想替代方案。例如，使用可穿戴手表实时监测血压波动较大的患者，并在紧急情况下发送警报，就是物联网的一个典型应用。然而，这一切都依赖于物联网设备之间的安全交互。因此，研究物联网通信的安全方面和威胁，确保数据通信和存储更加可靠至关重要。而了解物联网系统的构建方式，是发现和分析所有安全威胁的基础，这也是我们探讨物联网架构的原因。 #### 4. 物联网安全威胁与挑战 当设备受到某种机制保护，免受危险侵害时，我们可以认为该设备是安全的。这种保护机制通常体现在多个方面。一般来说，所有设备在构建和部署操作系统时，都会具备硬件和软件层面的安全保护。此外，通信协议也有自身的安全措施，但仍然存在各种安全违规情况。由于物联网设备的计算单元较小，硬件和软件组件有限，与专业服务器和安全设备相比，这些安全措施可能无法完全适用。以下是现有的一些物联网安全机制： 1. **认证**：验证设备真实性的机制。 2. **授权**：为不同设备提供特权和访问权限的机制。 3. **保密性**：涉及对服务器上数据访问进行限制的协议。 4. **隐私**：确保个人特定信息受到保护，只有获得授权的人员才能访问的机制。 5. **信任**：确保实体之间相互信任的机制。 ##### 4.1 物联网的集中化特性与主要安全威胁 在许多情况下，物联网设备并非自主运行。大多数物联网设备连接到网络，但可能没有足够的内存来存储数据，因此需要通过网络连接到某个中央机制，以获取通信、存储和指令。近年来，云（集中式架构）在物联网数据库管理中发挥了重要作用，它提供了巨大的存储空间和强大的计算能力，便于处理物联网数据。然而，这种集中式方法存在一些问题，终端用户往往不清楚自己的信息是如何存储以及存储在哪里。因此，用户数据泄露可能导致巨大损失，甚至对个人生命构成严重威胁。 集中式方法还存在以下一些安全威胁： 1. **网络安全威胁**：包括流量分析攻击（分析网络流量中的数据包以获取网络信息）、Sybil攻击（一个节点可以伪装成多个节点）、加密攻击（侧信道攻击和密码分析攻击可能破解加密技术，获取实体的私钥）。 2. **设备多样性问题**：物联网设备使用不同的协议，这些协议具有不同的语义定义，这使得黑客能够利用这些差异，导致隧道漏洞和硬编码密钥漏洞。此外，物联网设备由于内存和计算能力有限，难以实施复杂的加密和认证算法，容易受到中间人攻击（MIMAs）。 3. **虫洞攻击**：在物联网网络中记录数据包并发送到其他位置，可能导致严重的信息泄露。 4. **设备克隆与敏感数据暴露**：与云相关的设备克隆和敏感数据暴露威胁也不容忽视。 5. **访问级别攻击**：包括主动攻击（侵犯受保护信息）和被动攻击（他人使用本应仅由特定用户访问的信息）。此外，软件妥协攻击（物联网设备缓冲区溢出）也是一种严重威胁，可能导致设备完全无法运行。 6. **用户攻击**：如信任破坏、窃听、身份管理和行为攻击等。 7. **移动性攻击**：涉及设备移动过程中的威胁，如位置跟踪和基础设施跟踪，可能对用户造成威胁。 8. **预防策略**：提前预测威胁并采取相应的应对措施至关重要。