如何提升校園物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的安全性？
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隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，高校的校園網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)校園網(wǎng)絡(luò)、電子校園網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字校園網(wǎng)絡(luò)三個階段 [1] 。
目前正在由數(shù)字校園向智慧校園邁進。在此發(fā)展過程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用 [2] 。
隨著時代的進步，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入校園網(wǎng)，如智能攝像頭、智能電表、智能水表、計算服務(wù)器等。
這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)安全提出了更高的要求，如智能水表、電表涉及用戶計費，智能攝像頭、計算服務(wù)器等涉及用戶隱私數(shù)據(jù)信息安全，一旦這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)安全漏洞，勢必會給用戶造成困擾甚至經(jīng)濟損失。
在當(dāng)前的時代環(huán)境下，如何提升校園物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的安全性，成為我們必須正視，并亟待研究的課題。
01
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理現(xiàn)狀分析
針對這些數(shù)量龐大，種類繁多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，很多高校都提出了自己的物聯(lián)網(wǎng)管理方法。如徐曉新 [3] 研究探索了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入校園網(wǎng)的三種方式：采用媒體存取控制位址（Media Access Control Address，MAC）端口綁定的方式、采用專用虛擬網(wǎng)絡(luò)的方式、采用QinQ（802.1Q-in-802.1Q）配置管理的方式。并最終通過綜合對比，選擇了QinQ配置管理的方式，幫助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入校園網(wǎng)。
為了提高校園物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性， 華中科技大學(xué)要求每個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實名制，即每個入網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都能夠追溯到其責(zé)任人。
因此采用了MAC地址與交換機端口綁定的方式，來幫助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入校園網(wǎng)。具體流程為：
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物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備入網(wǎng)申請人提供MAC地址；
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網(wǎng)絡(luò)工程師對核心設(shè)備、接入設(shè)備進行配置，以實現(xiàn)該MAC地址對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的免認證上網(wǎng)功能；
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使用人將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和指定交換機端口相連，完成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備入網(wǎng)過程。
但這樣會存在一個問題，即物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理和普通上網(wǎng)用戶管理混在了一起，如圖1所示。這樣的處置，存在以下4個弊端：
1.物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備準入配置復(fù)雜。如圖1所示，華中科技大學(xué)有多臺核心設(shè)備，需要先根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的具體物理位置確定對應(yīng)的核心設(shè)備，然后再在對應(yīng)的核心設(shè)備上做命令行配置。如果該物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備位置發(fā)生變化，則需要做重新配置。
圖1 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理拓撲結(jié)構(gòu)
2.物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備缺乏訪問控制。因為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用的是普通用戶的IP地址段接入校園網(wǎng)，所以校園網(wǎng)上的用戶和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間可以進行自由互訪，這就造成了一定的網(wǎng)絡(luò)安全隱患。
3.物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備缺乏系統(tǒng)安全監(jiān)管。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所使用的IP地址段非常分散，因此很難集中對這些設(shè)備所安裝的系統(tǒng)、所搭載的應(yīng)用進行安全掃描，從而進行主動防護。
4.物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備缺乏生命周期管理。由于采用手工配置的方式實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備入網(wǎng)，因此很難甄別出已經(jīng)到期的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，并將其從系統(tǒng)中刪除。這樣就導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一次入網(wǎng)、長期使用，缺乏年審機制，存在安全隱患。
02
SDN關(guān)鍵技術(shù)
軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）是由美國斯坦福大學(xué)CLean State課題研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實現(xiàn)方式。
其核心技術(shù)OpenFlow和NETCONF協(xié)議通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，使網(wǎng)絡(luò)作為管道的功能變得更加智能 [4-5] 。 SDN技術(shù)使得建立高效、便捷、安全的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)成為了可能。
NETCONF協(xié)議技術(shù)
NETCONF是一種網(wǎng)管協(xié)議，主要功能是彌補SNMP協(xié)議無法對設(shè)備進行配置的不足，并將其取代。
NETCONF工作組于2003年成立，該協(xié)議于2006年（RFC4741等）成型，于2011年（RFC6241等）不斷完善，2014年日趨成熟。
NETCONF協(xié)議早于SDN技術(shù)產(chǎn)生，其初期發(fā)展較為緩慢，后期隨著SDN技術(shù)的火熱興起而煥發(fā)出新的生機 [6] 。
NETCONF協(xié)議分成四層：安全傳輸層、消息層、操作層和內(nèi)容層。NETCONF協(xié)議是完全基于XML之上的，所有的配置數(shù)據(jù)和協(xié)議消息都用XML表示，并且協(xié)議主要通過SSH加密傳輸。
OpenFlow協(xié)議技術(shù)
OpenFlow為用戶提供了一個開放的協(xié)議，用戶可以通過該協(xié)議對不同交換機中的流表進行控制，研究者可以通過選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通路以及數(shù)據(jù)處理方式來輕松地控制數(shù)據(jù)流的走向。
OpenFlow協(xié)議從1.0版本演進到了1.4版本，其主要是針對如下兩個層面進行不斷完善的 [7] ：
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增強邏輯控制層面。使得協(xié)議的功能更加強大，更加靈活。
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增加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層面。增加了更多的關(guān)鍵字匹配，使得協(xié)議可以執(zhí)行更多不同的操作。
03
基于SDN的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理
針對校園網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)管理中遇到的諸多問題，引入了基于SDN技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，使用獨立的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對數(shù)目巨大、種類繁多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行管理，如圖2所示，很好地解決了如上的問題，提高了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)安全性。
圖2 基于SDN的物聯(lián)網(wǎng)管理拓撲結(jié)構(gòu)
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備準入安全
1.物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備準入管控流程
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備入網(wǎng)申請，由學(xué)校各個單位的信息聯(lián)絡(luò)員在網(wǎng)上辦事大廳中提交申請流程，審批通過后由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理員進行物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備IP地址的分配，并在SDN控制器上做出相應(yīng)的配置，靜態(tài)綁定該物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的MAC和IP地址。
與此同時，在物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)中記錄物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的相關(guān)信息如設(shè)備類型、設(shè)備IP、設(shè)備MAC、責(zé)任人及設(shè)備失效時間等。申請人獲得IP后，對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行IP設(shè)置后接入校園網(wǎng)。
2.物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備準入實現(xiàn)原理
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備準入實現(xiàn)原理如圖3所示，其具體步驟如下：
圖3 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備準入原理
（1）SDN控制器開啟準入管控后，通過NETCONF下發(fā)基于子網(wǎng)的地址解析協(xié)議（Address Resolution Protocol，ARP）學(xué)習(xí)關(guān)閉。這個子網(wǎng)的ARP學(xué)習(xí)關(guān)閉，會導(dǎo)致這個子網(wǎng)下行的流量關(guān)閉，最終達到阻止終端聯(lián)網(wǎng)的效果。
（2）終端入網(wǎng)，發(fā)起網(wǎng)關(guān)ARP請求。
（3）對應(yīng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備收到入網(wǎng)終端的ARP請求，基于對應(yīng)的網(wǎng)段IP將報文上發(fā)到控制器。
（4）控制器收到發(fā)送過來的ARP請求報文，解析其發(fā)送者的IP和MAC地址，并記錄終端所在網(wǎng)關(guān)位置（即網(wǎng)關(guān)設(shè)備管理IP）。 如果在免管控期間，控制器則自動生成靜態(tài)ARP表并設(shè)置到對應(yīng)網(wǎng)關(guān)上。如果在管控期間，則出現(xiàn)在控制器的待審批界面中，管理員審批通過后生成靜態(tài)ARP表并設(shè)置到網(wǎng)關(guān)上，完成該終端的入網(wǎng)審批。
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備訪問控制安全
部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備涉及到學(xué)校師生的個人隱私安全，如物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控攝像頭；部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備關(guān)系到師生的財產(chǎn)安全，如智能電表、水表、一卡通設(shè)備等；更有甚者關(guān)系到師生的生命安全，如煙感、溫感傳感器等。
所以物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備成功接入校園網(wǎng)后，只能讓有權(quán)限的角色訪問到這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這就是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的訪問控制安全。
提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備訪問控制安全可通過以下兩種方式實現(xiàn)。
1.物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)的建立
對于業(yè)務(wù)相對獨立，設(shè)備數(shù)量眾多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，可以組建一張物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)。如宿舍的智能門禁系統(tǒng)，智能門禁設(shè)備數(shù)量眾多，但這些智能門禁設(shè)備都只需要訪問一臺門禁服務(wù)器。如果讓這些設(shè)備單獨入網(wǎng)，暴露在校園網(wǎng)中，假如這些設(shè)備有安全漏洞，學(xué)生宿舍將存在安全隱患。但如果通過光纖將這些設(shè)備組成物理專網(wǎng)，又會推高施工成本。另外，如果專網(wǎng)數(shù)量越建越多，還會產(chǎn)生管理復(fù)雜的問題。
圖4 物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)示意
基于SDN的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，就可以很好地解決這個問題。以門禁系統(tǒng)為例，如圖4所示，采用Super VLAN加上Sub VLAN的方式，將主控服務(wù)器和智能門禁組成一張?zhí)摂M的智能門禁專網(wǎng)，分配統(tǒng)一的智能門禁專網(wǎng)IP地址，承載于校園網(wǎng)之上，并且通過ACL規(guī)則，只允許該智能門禁設(shè)備訪問門禁服務(wù)器，從而保障了這個專網(wǎng)的安全性。
2.單個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的精細化訪問控制
單個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要進行精細化的訪問權(quán)限控制。例如放置在辦公室的打印機，只能被周圍幾個辦公室的用戶所訪問，以免復(fù)印或者打印的數(shù)據(jù)被其他的非法用戶獲??；又如課題組搭建了一個服務(wù)器，用于對課題組人員提供計算服務(wù)，則服務(wù)器只能被課題組成員所訪問，以免出現(xiàn)服務(wù)器數(shù)據(jù)泄露等問題。
目前采用基于源、目的IP地址的ACL管控的方式，來實現(xiàn)單個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的精細化訪問權(quán)限控制。 給某個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備分配IP地址的時候，就收集到哪些IP需要訪問這個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，同時該物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要訪問哪些IP，并且通過ACL規(guī)則進行管控。
通過這種方式，就可以將單個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備劃分為一個個的“物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備作用域”，每個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在其“物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備作用域”中提供服務(wù)，在該“物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備作用域”范圍外的IP則無法訪問該設(shè)備。
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)安全
隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來越智能化，大部分的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都有自己的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，并依靠應(yīng)用程序?qū)ν馓峁┓?wù)。
操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序若有漏洞，就會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險。如果訪問者利用了這些安全漏洞，就會對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性產(chǎn)生威脅。
在沒有引入基于SDN的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)前，所有的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是分散在全校各個網(wǎng)段之中的，很難將這些設(shè)備收集全，并進行集中管控。
引入基于SDN的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)后，所有的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集中在某幾個IP地址段，這樣就很容易定期對這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的系統(tǒng)以及應(yīng)用程序進行漏洞掃描。
若發(fā)現(xiàn)其中存在安全漏洞，可及時通報給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的管理責(zé)任人，同時將其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備下線。待其整改完成，經(jīng)過檢測沒有漏洞后，再予以上線。以2021年9月為例，已掃描出170多個漏洞，如“弱密碼”“XSS跨站攻擊”“OpenSSH漏洞”等。
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生命周期安全
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也是具有生命周期的，可能隨著項目的結(jié)束、設(shè)備責(zé)任人的離退休，該設(shè)備不再有人使用也不再有人維護。
如果這樣的“僵尸”設(shè)備存在于校園網(wǎng)中，則隨著時間的增加，其安全漏洞會越來越多，可能還會被一些黑客分子當(dāng)作“肉機”使用，作為“跳板機”去攻擊其他的用戶。
因此，目前采用的是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備年審制度。申請入網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會在當(dāng)年的12月31日到期，到期前系統(tǒng)會發(fā)送短信提醒用戶盡快完成設(shè)備延期申請。如果在到期前仍未能完成延期申請的，將會在到期后無法接入校園網(wǎng)。
通過創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備準入安全管理、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備訪問控制安全管理、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)安全管理、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生命周期安全管理，有效地解決了當(dāng)前校園網(wǎng)中遇到的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全問題。
但是隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量、種類的不斷增加，以及需求的變化升級，新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全挑戰(zhàn)也會隨之出現(xiàn)。這就需要我們不斷創(chuàng)新技術(shù)，改進管理方法，來解決新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全問題。
參考文獻（上下滑動查看）
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作者：劉云、雷洲、劉戀、洪劍珂（華中科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與計算中心）
