Международные организации по стандартизации IEEE и IETF совместно работают над созданием высоконадежного стека протоколов беспроводной связи с низким энергопотреблением для Интернета вещей, способного выходить в Интернет. IEEE в основном отвечает за разработку стандартов физического и канального уровней протоколов связи Интернета вещей, таких как стандарт IEEE802.15.4-2006, из которых IEEE802.15.4e является последним стандартом канального уровня. IETF в основном отвечает за разработку стандартов сетевого уровня и выше для коммуникационных протоколов Интернета вещей, таких как стандарты 6LoWPAN, RPL и CoAP, которые могут подключать ограниченные в ресурсах сенсорные узлы к Интернету. Безопасность сети является основой для масштабного развития Интернета вещей. Необходимо разработать безопасный и эффективный механизм для обеспечения нормальной работы коммуникационных протоколов. В этой статье подробно рассматривается стек протоколов связи Интернета вещей, особое внимание уделяется анализу и обсуждению последних достижений в области безопасности. Наконец, подведены итоги и намечены перспективы развития направления исследований в области безопасных протоколов связи для Интернета вещей.
В 2005 году Международный союз электросвязи (МСЭ) выпустил доклад на тему “Интернет вещей”. В докладе впервые было предложено, что “Интернет вещей будет использовать штрих-коды, радиочастотную идентификацию, датчики и другие сенсорные устройства для достижения цели с помощью набора стандартных протоколов связи”. Интеллектуальная идентификация и мониторинг состояния любого предмета в режиме реального времени” [1-3]. В настоящее время в крупных развитых странах мира начался новый виток промышленной революции, и страны начинают применять новые технологии, такие как Интернет вещей и большие данные, в процессе интеллектуального промышленного производства [4-5]. Соединенные Штаты впервые предложили концепцию “Промышленного Интернета вещей” в 2012 году, применив новые технологии Интернета вещей к высокотехнологичному производству для достижения цели возрождения передового производства в США. Германия предложила стратегический план “Индустрия 4.0” в 2013 году, который направлен на преобразование традиционных производственных предприятий в “умные” фабрики путем создания киберфизических систем для соединения различных элементов, таких как продукты, оборудование и люди. В 2015 году наша страна выпустила стратегический план “Сделано в Китае 2025”, в котором обозначена задача "содействия глубокой интеграции информационных технологий нового поколения, таких как Интернет вещей и большие данные, с традиционным производством, а также содействия трансформации и модернизации традиционного производства в интеллектуальное производство". Как видно, применение новых технологий Интернета вещей в будущих промышленных приложениях - неизбежная тенденция развития.
В настоящее время Международная организация по стандартизации IEEE и IETF совместно работают над созданием набора высоконадежных протоколов беспроводной связи с низким энергопотреблением, которые можно подключить к Интернету для промышленного Интернета вещей. Данные в процессе промышленного производства (такие как скорость вращения, вибрация, температура, влажность, ускорение и т. д.) собираются в режиме реального времени с помощью большого количества дешевых, ограниченных в ресурсах сенсорных узлов, а затем используется набор стандартных протоколов беспроводной связи для однохостовой или многохостовой передачи. Наконец, собранные данные отправляются на удаленный сервер через пограничный маршрутизатор. Рабочая группа IEEE в основном отвечает за разработку стандартов на канальном уровне, таких как стандарт IEEE802.15.4-2006 [6], из которых IEEE802.15.4e[7] является последней версией стандарта на канальном уровне. Рабочая группа IETF в основном отвечает за разработку стандартов выше канального уровня, включая стандарты адаптационного уровня 6LoWPAN [8], сетевого уровня IPv6RPL [9] и прикладного уровня CoAP [10], которые могут реализовать ограниченные по ресурсам сенсорные узлы и следующее поколение IPv 6Internet для межсетевого взаимодействия.
Поскольку Интернет вещей широко используется в таких областях национальной инфраструктуры, как нефтедобыча, нефтехимия, угольные шахты и электросети, проблема безопасности Интернета вещей станет ключевым вопросом, который необходимо решить в процессе его разработки и применения. Вирус Stuxnet в 2010 году привел к сбоям в работе множества промышленных сетей управления по всему миру (например, к аварии на иранской атомной электростанции). В 2015 году хакеры запустили атаку с вредоносным кодом Black Energy ("черная энергия") на энергосистему Украины, что привело к серьезным последствиям, таким как длительные и масштабные отключения электроэнергии. В инциденте Mirai в 2016 году злоумышленники использовали сотни тысяч IoT-устройств, таких как веб-камеры, для проведения DDoS-атак на серверы доменных имен, в результате чего большое количество пользователей не могли нормально пользоваться сетевыми сервисами. Кроме того, семь смертоносных атак, обнародованных на RSA2017, самом влиятельном отраслевом мероприятии в сообществе информационной безопасности, включают в себя атаки на промышленный Интернет вещей. Как видно, атаки на Интернет вещей в настоящее время возникают бесконечно, и они все больше ценятся правительством и научными кругами.
Однако в современных протоколах связи IoT все еще существует множество серьезных проблем с безопасностью. В литературе [11-14] отмечается, что на канальном уровне стека протоколов Интернета вещей имеются уязвимости в безопасности, и злоумышленники могут осуществлять атаки на синхронизацию времени, атаки на подмену и атаки на истощение энергии. В литературе [15-17] указывается на наличие различных уязвимостей в протоколе RPL в стеке протоколов IoT. Злоумышленники могут запускать атаки "ведьм", атаки с выборочной переадресацией, атаки типа HELLO flooding, атаки типа "червоточина" и т. д., тем самым нарушая нормальную работу протокола RPL. В этой статье сначала представлен стек протоколов IoT и его архитектура безопасности; затем обсуждаются последние достижения в области стандартов и механизмов безопасности физического уровня и канального уровня, адаптивного уровня 6LoWPAN, уровня маршрутизации RPL и уровня приложений CoAP в стеке протоколов связи IoT; наконец, обобщены и намечены направления исследований безопасных протоколов связи для Интернета вещей.
1 Стек протоколов Интернета вещей и его архитектура безопасности
1.1 Стек протоколов связи Интернета вещей Целью работы международных организаций по стандартизации IEEE и IETF является разработка высоконадежного стека протоколов связи с низким энергопотреблением и доступом в Интернет для сенсорных узлов с ограниченными ресурсами, чтобы он мог поддерживать сотни или тысячи узлов, осуществляющих самоорганизованную многоходовую связь. В 2006 году рабочая группа IEEE опубликовала стандарт IEEE802.15.4-2006 [6], который подходит для сценариев связи на коротких расстояниях и с низким энергопотреблением. Физический уровень этого стандарта предусматривает, что максимальная скорость передачи данных составляет 250 кбит/с и работает в частотном диапазоне ISM, в котором имеется 16 каналов в диапазоне 4 ГГц. Кроме того, стандарт IEEE802.15.4-2006 использует дополнительные временные слоты для обеспечения механизма GTS и механизма доступа к каналу CSMA-CA, а также поддерживает механизм ACK для обеспечения надежной передачи. На данный момент этот стандарт стал физическим уровнем и стандартом таких протоколов, как Zig-Bee [18], WirelessHART [19], ISA100.11a [20] и WIA-PA [21]. Основы канального уровня. Однако беспроводные коммуникации, основанные на стандарте IEEE802.15.4-2006, выявили множество проблем с точки зрения низкого энергопотребления и надежности. В 2008 году компания DUST предложила технологию синхронизации времени TSMP (Time-Synchro) nizedMeshProtocol) [22]. TSMP использует технологию множественного доступа с разделением времени TD-MA, что позволяет избежать холостого мониторинга узлов в сети, снижая потребление энергии сетью. Кроме того, она использует механизм скачкообразной перестройки частоты временных интервалов для решения проблем многолучевого затухания и внешних сетевых помех, а также повышает надежность беспроводной передачи. В 2012 году рабочая группа IEEE802.15.4 официально выпустила стандарт IEEE802.15.4e. Его основной технологией является скачкообразная синхронизация каналов (TimeSynchronization Channel Hopping, TSCH), среди которых технология TSMP является основой TSCH. В сети IEEE802.15.4e узлы включают или выключают радиочастоты в заранее определенное время благодаря точной синхронизации времени, что позволяет узлам экономить энергию; кроме того, узлы используют механизм скачкообразной перестройки частоты на основе временных интервалов, что повышает устойчивость узла к окружающим помехам и многолучевым помехам [23].
Рабочая группа IETF в основном отвечает за разработку стандартов высокого уровня, таких как прикладной уровень, сетевой уровень и уровень адаптации стека протоколов. IETF последовательно создала три рабочие группы: рабочую группу 6LoWPAN (IPv6overLowpower) ersonalArreaNetworks), рабочую группу ROLL (Routing GoverLossia ndLow-po-werNetworks) и рабочую группу CoRE (ConstraineedRestful Environ-ment). Рабочая группа IETF6LoWPAN отвечает за разработку протоколов IPv6, которые могут работать в персональных сетях с низким энергопотреблением. Рабочая группа IETFROLL отвечает за разработку протокола маршрутизации IPv6RPL, который может работать в сетях с низким энергопотреблением и потерями [9]. Рабочая группа IETFCoRE отвечает за разработку облегченного протокола CoAP прикладного уровня [10], который может работать на узлах с ограниченными ресурсами, чтобы узлы с ограниченными ресурсами могли взаимодействовать с существующим Интернетом. Кроме того, IETF создала группу стандартов 6TiSCH (IPv6overtheTSCHmodeofIEEEE802. 15.4e) [24], отвечающую за разработку протокола IPv6 в режиме IEEE802.15.4eTSCH. Последние достижения этой рабочей группы в области безопасности включают в себя безопасный доступ к сети с низкими накладными расходами. Механизм и дизайн архитектуры безопасности 6TiSCH.
1.2 Архитектура безопасности Цели безопасности Интернета вещей в основном такие же, как и у других сетей, и включают в себя пять задач: конфиденциальность, целостность, доступность, неотказуемость и свежесть данных. Под конфиденциальностью понимается гарантия того, что конфиденциальная информация не попадет в руки посторонних лиц благодаря использованию технологий шифрования и дешифрования информации. Целостность - это гарантия того, что информация не будет подделана с помощью таких технологий, как аутентификация целостности, хеширование и цифровые подписи. Доступность - это использование таких технических средств, как отказоустойчивость, обнаружение вторжений или самовосстановление сети, для обеспечения нормальной работы сети в случае атаки. Безотзывность означает, что инициатор источника информации не может опровергнуть отправленную им самим информацию. Обычно используются такие технологии, как подпись, аутентификация личности и управление доступом. Свежесть данных означает, что пользователи получают необходимую им информацию в течение определенного времени. Обычно используются такие технологии, как управление сетью, обнаружение вторжений и контроль доступа. Кроме того, к целям безопасности IoT также относятся конфиденциальность, анонимность и доверие.
На рисунке 1 показана архитектура безопасности стека протоколов IoT. CoAP - это протокол уровня приложений IoT с архитектурой REST, основанный на протоколе UDP, который с помощью DTLS (DatagramTransport-Laye rSecurity) [25-26] обеспечивает сквозную безопасную передачу данных. DTLS является расширением существующей архитектуры протокола безопасности TLS, а TLS в основном используется для обеспечения безопасности данных, передаваемых по протоколу TCP, и не может быть использован для обеспечения безопасности данных, передаваемых по протоколу UDP. Благодаря расширению DTLS может поддерживать безопасную передачу дейтаграмм UDP. Протокол RPL [9] использует IPSec для обеспечения безопасной передачи на сетевом уровне. IPSec предоставляет такие услуги безопасности, как шифрование пакетов на сетевом уровне, аутентификация адреса источника и контроль доступа. Аутентификация и авторизация в ограниченных средах (Authentication and Authorization) Рабочая группа Rained Environments (ACE) разрабатывает механизм авторизации аутентификации для доступа к ресурсам, размещенным на серверах в ограниченных средах, и недавно завершила работу над всеобъемлющим документом RFC7744 [27]. Рабочая группа по ограниченным средам (DTLSInConstrainedEnviron-ments, DICE) изучает D для ограниченных IoT-устройств. Протокол TLS. Кроме того, в рамках работы Light-WeightImple-mentation Guidance, LWIG) группа предоставляет минимальный стек протоколов IP-коммуникаций и связанные с ним технологии безопасности для сред с ограниченными ресурсами, включая технологию асимметричного шифрования и протокол аутентификации IKEv2.
2 Безопасность протоколов физического и канального уровней
Рабочая группа IEEE802.15 была создана в 1998 году. Рабочая группа занимается стандартизацией физического уровня (PHY) и канального уровня (MAC) беспроводных персональных сетей (WPAN), чтобы обеспечить стандарты связи для беспроводных коммуникационных устройств, которые общаются друг с другом на коротких расстояниях. . IEEE802.15 Task Group TG4 была создана в 2000 году для формулирования стандарта IEEE802.15.4 и разработки стандартов для низкоскоростных персональных сетей (LR-WPAN). 2.1 Протокол физического уровня - IEEE802.15.4 Физический уровень IEEE802.15.4 определяет три частотных диапазона: 868MHz, 915MHz и 2.4GHz, среди которых 868MHz и 915MHz обеспечивают три метода модуляции: BPSK, ASK и O-QPSK, 2,4 ГГц обеспечивает только метод модуляции O-QPSK, а скорость передачи данных может достигать 250 кбит/с. В настоящее время три основных международных стандарта промышленной беспроводной связи WirelessHART [19], ISA100.11a [20] и WIA-PA [21] используют IEEE802.15 на физическом уровне. 4 стандарта. Кроме того, для достижения глобальной взаимосвязи большинство из них используют только частотный диапазон 2,4 ГГц стандарта IEEE802.15.4. 2.2 Протокол канального уровня с низким энергопотреблением - IEEE802.15.4e Многие промышленные приложения предъявляют жесткие требования к надежности, низкому энергопотреблению и производительности беспроводной связи в реальном времени. Предыдущий стандарт IEEE802.15.4-2006 не мог удовлетворить вышеуказанные требования. Рабочая группа IEEE приступила к разработке стандарта IEEE802.15.4e[7] и официально выпустила его в 2012 году. В основе стандарта лежит технология TSCH. В сети узлы включают или выключают радиочастоты в заранее определенное время с помощью точной временной синхронизации, что позволяет избежать холостого мониторинга узлов и экономит их энергию; узлы используют разные каналы в разных временных слотах с помощью технологии скачкообразной перестройки частоты временного слота, что повышает их антиинтерференционные возможности. Повышение надежности беспроводной связи. Исследования показали [28-30], что даже в жестких промышленных условиях технология TSCH позволяет достичь уровня потери пакетов в сети менее 0,01%. На рисунке 2 показана схема взаимодействия узлов в сети IEEE802.15.4e. Горизонтальная ось матрицы представляет собой значение временного слота (ASN), которое увеличивается с течением времени. Кадр слота - это комбинация нескольких временных слотов, которые могут периодически повторяться. По вертикали матрица представляет значение канала, которое находится в диапазоне от 0 до 15. В сети есть узлы A, B, C и D. Предположим, что временной слот-канал в матрице определяется как [значение слота, значение канала]. Узлы A и B общаются на [1, 1], а узлы A и C - на [1, 1]. [2,4] для связи, то видно, что узел A может использовать разные каналы для связи в разных временных слотах.
