如何提升校園物聯(lián)網(wǎng)設備網(wǎng)絡的安全性？

文章出處：http://yunxinrui.cn 作者： 人氣： 發(fā)表時間：2022年05月19日

隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，高校的校園網(wǎng)建設已經(jīng)經(jīng)歷了傳統(tǒng)校園網(wǎng)絡、電子校園網(wǎng)絡、數(shù)字校園網(wǎng)絡三個階段 [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)技術起到了至關重要的作用 [2] 。

隨著時代的進步，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設備接入校園網(wǎng)，如智能攝像頭、智能電表、智能水表、計算服務器等。

這些物聯(lián)網(wǎng)設備對網(wǎng)絡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)設備出現(xiàn)了網(wǎng)絡安全漏洞，勢必會給用戶造成困擾甚至經(jīng)濟損失。

在當前的時代環(huán)境下，如何提升校園物聯(lián)網(wǎng)設備網(wǎng)絡的安全性，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)設備接入校園網(wǎng)。

為了提高校園物聯(lián)網(wǎng)設備的安全性， 華中科技大學要求每個物聯(lián)網(wǎng)設備實名制，即每個入網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)設備都能夠追溯到其責任人。

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)設備接入校園網(wǎng)。具體流程為：

1. 物聯(lián)網(wǎng)設備入網(wǎng)申請人提供MAC地址；

2. 網(wǎng)絡工程師對核心設備、接入設備進行配置，以實現(xiàn)該MAC地址對應的物聯(lián)網(wǎng)設備的免認證上網(wǎng)功能；

3. 使用人將物聯(lián)網(wǎng)設備和指定交換機端口相連，完成物聯(lián)網(wǎng)設備入網(wǎng)過程。

但這樣會存在一個問題，即物聯(lián)網(wǎng)設備管理和普通上網(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)設備準入配置復雜。如圖1所示，華中科技大學有多臺核心設備，需要先根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設備的具體物理位置確定對應的核心設備，然后再在對應的核心設備上做命令行配置。如果該物聯(lián)網(wǎng)設備位置發(fā)生變化，則需要做重新配置。

圖1 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設備管理拓撲結構

2.物聯(lián)網(wǎng)設備缺乏訪問控制。因為物聯(lián)網(wǎng)設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)設備之間可以進行自由互訪，這就造成了一定的網(wǎng)絡安全隱患。

3.物聯(lián)網(wǎng)設備缺乏系統(tǒng)安全監(jiān)管。由于物聯(lián)網(wǎng)設備所使用的IP地址段非常分散，因此很難集中對這些設備所安裝的系統(tǒng)、所搭載的應用進行安全掃描，從而進行主動防護。

4.物聯(lián)網(wǎng)設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)設備入網(wǎng)，因此很難甄別出已經(jīng)到期的物聯(lián)網(wǎng)設備，并將其從系統(tǒng)中刪除。這樣就導致物聯(lián)網(wǎng)設備一次入網(wǎng)、長期使用，缺乏年審機制，存在安全隱患。

02

SDN關鍵技術

軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）是由美國斯坦福大學CLean State課題研究組提出的一種新型網(wǎng)絡創(chuàng)新架構，是網(wǎng)絡虛擬化的一種實現(xiàn)方式。

其核心技術OpenFlow和NETCONF協(xié)議通過將網(wǎng)絡設備的控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡流量的靈活控制，使網(wǎng)絡作為管道的功能變得更加智能 [4-5] 。 SDN技術使得建立高效、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

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技術產(chǎn)生，其初期發(fā)展較為緩慢，后期隨著SDN技術的火熱興起而煥發(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

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] ：

1. 增強邏輯控制層面。使得協(xié)議的功能更加強大，更加靈活。

2. 增加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層面。增加了更多的關鍵字匹配，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技術的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，使用獨立的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關對數(shù)目巨大、種類繁多的物聯(lián)網(wǎng)設備進行管理，如圖2所示，很好地解決了如上的問題，提高了物聯(lián)網(wǎng)設備的網(wǎng)絡安全性。

圖2 基于SDN的物聯(lián)網(wǎng)管理拓撲結構

物聯(lián)網(wǎng)設備準入安全

1.物聯(lián)網(wǎng)設備準入管控流程

物聯(lián)網(wǎng)設備入網(wǎng)申請，由學校各個單位的信息聯(lián)絡員在網(wǎng)上辦事大廳中提交申請流程，審批通過后由物聯(lián)網(wǎng)設備管理員進行物聯(lián)網(wǎng)設備IP地址的分配，并在SDN控制器上做出相應的配置，靜態(tài)綁定該物聯(lián)網(wǎng)設備的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)設備的相關信息如設備類型、設備IP、設備MAC、責任人及設備失效時間等。申請人獲得IP后，對物聯(lián)網(wǎng)設備進行IP設置后接入校園網(wǎng)。

2.物聯(lián)網(wǎng)設備準入實現(xiàn)原理

物聯(lián)網(wǎng)設備準入實現(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）學習關閉。這個子網(wǎng)的ARP學習關閉，會導致這個子網(wǎng)下行的流量關閉，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ARP請求。

（3）對應網(wǎng)關設備收到入網(wǎng)終端的ARP請求，基于對應的網(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)關位置（即網(wǎng)關設備管理IP）。 如果在免管控期間，控制器則自動生成靜態(tài)ARP表并設置到對應網(wǎng)關上。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表并設置到網(wǎng)關上，完成該終端的入網(wǎng)審批。

物聯(lián)網(wǎng)設備訪問控制安全

部分物聯(lián)網(wǎng)設備涉及到學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)設備關系到師生的財產(chǎn)安全，如智能電表、水表、一卡通設備等；更有甚者關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)設備成功接入校園網(wǎng)后，只能讓有權限的角色訪問到這些物聯(lián)網(wǎng)設備，這就是物聯(lián)網(wǎng)設備的訪問控制安全。

提高物聯(lián)網(wǎng)設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)務相對獨立，設備數(shù)量眾多的物聯(lián)網(wǎng)設備，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)，智能門禁設備數(shù)量眾多，但這些智能門禁設備都只需要訪問一臺門禁服務器。如果讓這些設備單獨入網(wǎng)，暴露在校園網(wǎng)中，假如這些設備有安全漏洞，學生宿舍將存在安全隱患。但如果通過光纖將這些設備組成物理專網(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備訪問門禁服務器，從而保障了這個專網(wǎng)的安全性。

2.單個物聯(lián)網(wǎng)設備的精細化訪問控制

單個物聯(lián)網(wǎng)設備需要進行精細化的訪問權限控制。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，以免復印或者打印的數(shù)據(jù)被其他的非法用戶獲?。挥秩缯n題組搭建了一個服務器，用于對課題組人員提供計算服務，則服務器只能被課題組成員所訪問，以免出現(xiàn)服務器數(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)設備的精細化訪問權限控制。 給某個物聯(lián)網(wǎng)設備分配IP地址的時候，就收集到哪些IP需要訪問這個物聯(lián)網(wǎng)設備，同時該物聯(lián)網(wǎng)設備需要訪問哪些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)設備劃分為一個個的“物聯(lián)網(wǎng)設備作用域”，每個物聯(lián)網(wǎng)設備在其“物聯(lián)網(wǎng)設備作用域”中提供服務，在該“物聯(lián)網(wǎng)設備作用域”范圍外的IP則無法訪問該設備。

物聯(lián)網(wǎng)設備系統(tǒng)安全

隨著物聯(lián)網(wǎng)設備越來越智能化，大部分的物聯(lián)網(wǎng)設備都有自己的操作系統(tǒng)和應用程序，并依靠應用程序?qū)ν馓峁┓铡?/p>

操作系統(tǒng)和應用程序若有漏洞，就會產(chǎn)生網(wǎng)絡安全風險。如果訪問者利用了這些安全漏洞，就會對物聯(lián)網(wǎng)設備的安全性產(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)設備是分散在全校各個網(wǎng)段之中的，很難將這些設備收集全，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)設備的系統(tǒng)以及應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)設備的管理責任人，同時將其物聯(lián)網(wǎng)設備下線。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)設備生命周期安全

物聯(lián)網(wǎng)設備也是具有生命周期的，可能隨著項目的結束、設備責任人的離退休，該設備不再有人使用也不再有人維護。

如果這樣的“僵尸”設備存在于校園網(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)設備年審制度。申請入網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)設備會在當年的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)設備準入安全管理、物聯(lián)網(wǎng)設備訪問控制安全管理、物聯(lián)網(wǎng)設備系統(tǒng)安全管理、物聯(lián)網(wǎng)設備生命周期安全管理，有效地解決了當前校園網(wǎng)中遇到的物聯(lián)網(wǎng)設備的安全問題。

但是隨著物聯(lián)網(wǎng)設備的數(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，改進管理方法，來解決新的物聯(lián)網(wǎng)設備安全問題。

參考文獻（上下滑動查看）

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[7]孔倩.基于OpenFlow的鏈路容錯機制的研究與設計[D].華東師范大學，2015.

作者：劉云、雷洲、劉戀、洪劍珂（華中科技大學網(wǎng)絡與計算中心）