19、物联网安全技术与应用详解

物联网安全技术与应用详解

一、设备认证流程

1.1 云服务器对终端节点的认证

云服务器对终端节点的认证是保障物联网设备安全接入的重要环节，其具体流程如下：
1. 云服务器验证终端节点证书链，确保证书的合法性和有效性。
2. 云服务器向终端节点发送随机挑战，这是为了验证终端节点的身份真实性。
3. 终端节点使用安全存储在 ATECC508A 中的私钥对随机挑战进行签名。ATECC508A 会在内部完成签名操作并返回签名结果，且私钥不会暴露。
4. 云服务器验证签名是否有效，若有效则完成对终端节点的初步认证。

1.2 终端节点对云服务器的认证

在云服务器完成对终端节点的认证后，终端节点会对云服务器的真实性进行验证，具体步骤如下：
1. 云服务器重建证书，为终端节点提供最新的证书信息。
2. 终端节点接收主机设备证书和主机签名者证书。
3. 终端节点验证主机证书链，确保云服务器的身份合法。
4. 终端节点向主机发送随机挑战。
5. 云服务器使用其私钥对随机挑战进行签名。
6. 终端节点验证随机挑战的签名，若验证成功，则允许与云服务器建立连接。

需要注意的是，SAM L22 Xplained Pro 上的 ATECC508A 必须先进行配置才能用于认证。配置步骤可参考相关应用说明，用于配置的十六进制文件可下载或随套件提供。

1.3 认证流程的 mermaid 流程图

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(云服务器验证终端节点证书链):::process
    B --> C(云服务器发送随机挑战):::process
    C --> D(终端节点签名随机挑战):::process
    D --> E(云服务器验证签名):::process
    E --> F{签名有效?}:::decision
    F -->|是| G(终端节点接收主机证书):::process
    F -->|否| H([认证失败]):::startend
    G --> I(终端节点验证主机证书链):::process
    I --> J(终端节点发送随机挑战):::process
    J --> K(云服务器签名随机挑战):::process
    K --> L(终端节点验证签名):::process
    L --> M{签名有效?}:::decision
    M -->|是| N([连接成功]):::startend
    M -->|否| H

二、Wi-Fi 连接方式

2.1 默认连接方式

该演示板提供了两种连接 Wi-Fi 的方式，默认方式是在固件中包含凭证。这种方式简单直接，设备在启动时会自动使用预设的凭证连接到指定的 Wi-Fi 网络。

2.2 配置模式连接方式

当默认方式不可用时，可使用配置模式。在配置模式下，板子会使用 ATWINC1500 IC 生成热点，用户可以通过笔记本电脑、手机或平板电脑等设备连接到该热点。连接成功后，通过浏览器访问配置页面，即可对设备进行各种配置。

另外，还可以通过按住 SAM L22 板上的按钮 SW0 3 秒钟来切换到配置模式。

2.3 Wi-Fi 连接方式对比表格

连接方式	特点	适用场景
默认方式	在固件中包含凭证，自动连接	已知 Wi-Fi 网络信息，设备固定使用该网络
配置模式	生成热点，通过浏览器配置	默认方式不可用，需要临时配置 Wi-Fi 网络

三、固件架构与低功耗设计

3.1 固件架构

固件架构图展示了各种代码模块，包括实时操作系统（RTOS）和 QTouch 库系统。RTOS 系统允许 MCU 在空闲任务模式下进入休眠状态，以降低功耗。在 RTOS 的空闲任务模式下，会抑制正常的时钟滴答，设备进入深度睡眠模式，只有在配置的时间间隔后才会唤醒。这里利用定时器计数器，因为其周期相对 RTOS 滴答要长得多，用于唤醒进入睡眠模式的设备。

3.2 低功耗设计的优势

低功耗设计对于物联网设备至关重要，它可以延长设备的电池续航时间，减少维护成本。通过 RTOS 系统的休眠机制，设备在不需要工作时可以进入低功耗状态，只有在必要时才唤醒，从而有效地节省了能源。

四、云连接与仪表盘

4.1 云连接与数据展示

类似于 Arduino IoT 云使用的技术，该演示使用了类似的仪表盘，可将指标应用到小部件上，以反映节点上发生的情况。例如，项目允许记录和显示每 5 秒刷新一次的图表。节点会定期向云发送“仍存活”同步消息，表明设备仍处于活动状态。此消息和周期可在固件中进行配置。

4.2 可配置参数与自动模式

除了“仍存活”消息，还可以配置其他参数，如显示室温、设置目标温度和自动模式。当自动模式关闭时，用户可以控制演示套件上的风扇和 LED；当自动模式开启时，SAM L22 固件会根据预设的室温自动控制风扇的开关。

4.3 云连接与数据交互流程

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A([设备]):::startend --> B(发送数据到云):::process
    B --> C(云存储数据):::process
    C --> D(云更新仪表盘):::process
    D --> E(用户通过仪表盘查看数据):::process
    E --> F(用户通过仪表盘发送指令):::process
    F --> G(云接收指令):::process
    G --> H(云发送指令到设备):::process
    H --> A

五、物联网设备的安全挑战与应对策略

5.1 安全挑战

物联网设备在不同的环境和场景中部署，面临着物理和数字两种类型的攻击。
- 物理攻击 ：攻击者可能通过监控数据通道（如 UART 或 I2C 通信通道）来获取信息。由于系统级通信大多未加密，物理访问可能导致安全漏洞。攻击者还可能通过观察或与板载通信进行交互，获取传输加密密钥，或者访问执行程序二进制文件，复制并覆盖软件或固件，以请求加密密钥。
- 数字攻击 ：攻击者通过连接到系统，试图识别软件（包括固件）中的弱点进行利用。常见的数字攻击方式是数据拦截（即数据包嗅探），如果数据未加密或可被解密，将造成信息泄露。

5.2 应对策略

为了应对这些安全挑战，需要采取多种安全措施：
- 端到端加密 ：确保物联网设备之间的通信采用端到端加密，防止数据在传输过程中被拦截和窃取。
- 多层加密 ：除了端到端加密，还可以增加额外的加密层，提高数据的安全性。
- 安全设计 ：从芯片设计阶段开始就考虑安全问题，采用基于 PKI 的物联网证书颁发机构提供的数字证书，建立物联网身份链，确保从芯片到云的整个生命周期的安全。

六、安全设计在物联网设备中的应用

6.1 安全设计的重要性

随着物联网设备收集私人信息的速度和能力不断提高，需要多层次的安全保障。安全设计应从设备的最初构思和设计阶段开始，这样可以避免在后期使用过程中添加过多的附加安全功能。其目标是建立设备身份，保护数据完整性和通信隐私，使设备与其他设备、人员、系统和网络之间的连接更加安全可靠。

6.2 芯片级安全保障

一些 IC 正在开发基于 PKI 的物联网证书颁发机构支持的数字证书，创建专门的物联网身份链。这不仅可以确保物联网设备在整个生命周期内的安全，还可以保障供应链的安全，防止使用未经批准的组件或开发“灰色市场”设备。

例如，GlobalSign 和 Big Good Intelligent Systems Inc. 合作，Big Good 使用 GlobalSign 的物联网身份平台和物联网边缘注册服务为其物联网智能设备（如无线智能锁、智能镜子、门安全设备等）提供证书。Big Good 还作为 GlobalSign 证书的经销商，将证书配置到硬件芯片模块上，并销售给其他制造商。此外，Big Good 提供的“G-Shield”解决方案，可用于安全地将证书烧录到集成电路中，Realtek Semiconductor Corporation 正在研究和集成该技术以提高其高性能连接设备的安全性。

6.3 安全设计的应用案例

公司	应用场景	安全措施
GlobalSign 和 Big Good	物联网智能设备	使用物联网身份平台和边缘注册服务，提供芯片级证书身份
Realtek	高性能连接设备	集成 G-Shield 技术，从芯片级保障设备安全

七、网络设备的安全隐患与防范

7.1 调制解调器的安全隐患

物联网设备需要通过调制解调器连接到网络，而调制解调器可能成为安全弱点，特别是当调制解调器和路由器为一体时。由互联网服务提供商（ISP）提供的调制解调器通常作为完整的网关，更容易受到攻击。

7.2 路由器的安全隐患与防范

路由器是计算机网络安全的关键环节，消费级路由器由于其普遍性，容易成为攻击目标。间谍机构和犯罪分子都可能针对路由器进行攻击。为了提高安全性，消费者应将路由器升级为适用于小型企业的商用路由器，并更改默认设置，包括密码、防火墙、协议和端口等。

7.3 物联网技术的应用领域

物联网技术已经广泛应用于生活的各个领域，包括：
- 家用电器 ：如洗衣机、烘干机、洗碗机、冰箱/冰柜、炊具、水壶/咖啡机/茶壶等。
- 摄像头 ：如婴儿监视器、家用摄像头等。
- 环境传感器 ：如报警器、火灾传感器、有毒气体传感器等。
- 自动化 ：如工厂自动化和家庭自动化。
- 汽车 ：如汽车、自行车、摩托车、公交车、火车等。
- 流媒体设备 ：如媒体播放器。
- 身体传感器 ：如心率传感器、脑电波传感器、血压传感器、运动传感器、呼吸传感器等。

八、Arduino IoT 平台

8.1 构建 IoT 节点的组件

Arduino 小型处理器板为物联网实验提供了便捷的方式，其物联网云平台可用于构建物联网节点。构建一个物联网节点需要以下组件：
- 物理设备 ：用于收集数据或控制某些操作。
- 软件 ：定义硬件的行为，例如 Arduino Sketch。
- 云应用 ：用于存储收集的数据或远程控制设备。

8.2 设备配置与交互

在 Arduino 云平台上创建账户后，可以为设备自动生成代码。该系统还支持通过 HTTP REST API、MQTT、命令行工具、JavaScript 和 WebSockets 等方式进行交互。设备的属性可以传递到云端，并输出到特定的控制仪表盘上，用户可以通过仪表盘对设备进行监控和控制。

8.3 设备属性的定义与配置

为了在系统中使用设备，需要在仪表盘上定义设备的属性，具体步骤如下：
1. 命名属性：为属性取一个合适的名称，以便于识别和管理？
2. 选择数据类型：根据属性的实际情况选择合适的数据类型，如布尔型、整数型等。
3. 设置值范围：为属性设置合理的值范围，确保设备的正常运行。
4. 选择权限：设置属性的读写权限，决定用户是否可以对属性进行修改。

8.4 自动生成的代码示例

以下是一个自动生成的程序示例，用于设置设备并连接到 Arduino 云接口：

/*
  Sketch generated by the Arduino IoT Cloud Thing 
  "A_brand_new_thing"
  https://create.arduino.cc/cloud/things/cddc60e9-a3fa-4c25-a078-f81c5574117e
  Arduino IoT Cloud Properties description
  The following variables are automatically generated and 
  updated when changes are made to the Thing properties
  int dimmer;
  int sensor_data;
  bool power_switch;
  Properties which are marked as READ/WRITE in the Cloud 
  Thing will also have functions
  which are called when their values are changed from the 
  Dashboard.
  These functions are generated with the Thing and added at 
  the end of this sketch.
*/
#include "thingProperties.h"

void setup() {
  // Initialize serial and wait for port to open:
  Serial.begin(9600);
  // This delay gives the chance to wait for a Serial Monitor 
  // without blocking if none is found
  delay(1500);
  // Defined in thingProperties.h
  initProperties();
  // Connect to Arduino IoT Cloud
  ArduinoCloud.begin(ArduinoIoTPreferredConnection);
  /*
    The following function allows you to obtain more 
    information
    related to the state of network and IoT Cloud connection 
    and errors
    the higher number the more granular information you’ll 
    get.
    The default is 0 (only errors).
    Maximum is 4
  */
  setDebugMessageLevel(2);
  ArduinoCloud.printDebugInfo();
}

void loop() {
  ArduinoCloud.update();
  // Your code here
}

void onPowerSwitchChange() {
  // Do something
}

void onSensorDataChange() {
  // Do something
}

void onDimmerChange() {
  // Do something
}

8.5 加密芯片的保护

所有连接到 Arduino 云的板子都由 ECC - 508 加密芯片保护，确保传输和存储到云的数据安全。ECC - 508 芯片具有椭圆曲线 Diffie - Hellman（ECDH）密钥安排，ATECC508A 还内置了 ECDSA 签名验证功能，提供高度安全的非对称认证和加密对策。该芯片采用超安全的硬件密钥存储，比软件密钥存储更安全，且具有低功耗和小尺寸的特点，非常适合物联网节点。

九、建议项目

9.1 IoT 机器人与加密通信通道

使用简单的机器人套件和适当的 Arduino 盾牌和板子，开发一个 Web 控制器系统，通过加密通道远程控制机器人移动。可以使用上述提到的专用 IC、自行制作的硬件板或软件实现加密。为了进一步扩展项目，可以添加摄像头用于视频传输和麦克风用于音频传输。更具挑战性的是，在虚拟环境或游戏（如 Second Life）中控制机器人。

9.2 基于硬件的加密聊天系统

创建一个基于 Arduino（或其他硬件）的系统，对聊天消息进行加密。接收方必须具有相应的解密密钥才能解密消息。这个项目可以提高对加密技术的理解和应用能力，为物联网通信的安全性提供保障。

十、技术细节分析

10.1 认证流程技术原理

在设备认证流程中，云服务器与终端节点之间的交互基于非对称加密技术。云服务器验证终端节点证书链时，会检查证书的颁发机构、有效期等信息，确保证书的合法性。随机挑战的引入是为了防止中间人攻击，终端节点使用 ATECC508A 中的私钥对随机挑战进行签名，云服务器使用对应的公钥进行验证。同样，终端节点对云服务器的认证也是类似的过程，通过验证证书链和签名来确保云服务器的真实性。

10.2 Wi-Fi 连接技术分析

默认连接方式将 Wi-Fi 凭证存储在固件中，这种方式简单直接，但缺乏灵活性。当设备需要更换 Wi-Fi 网络时，需要重新烧录固件。配置模式则通过生成热点，让用户可以通过浏览器进行配置，增加了设备的灵活性。ATWINC1500 IC 负责生成热点，其工作原理是将设备转换为一个无线接入点，允许其他设备连接。

10.3 低功耗设计技术原理

RTOS 系统的低功耗设计基于空闲任务模式和定时器计数器。在空闲任务模式下，MCU 进入休眠状态，抑制正常的时钟滴答，减少功耗。定时器计数器的周期相对较长，用于在配置的时间间隔后唤醒设备。这种设计可以有效地延长设备的电池续航时间。

10.4 云连接与数据交互技术原理

云连接和数据交互基于网络通信协议，设备通过网络将数据发送到云服务器，云服务器存储数据并更新仪表盘。用户可以通过仪表盘查看数据并发送指令，指令通过云服务器转发到设备。在这个过程中，需要确保数据的安全性和可靠性，通常采用加密技术和数据校验机制。

十一、安全技术的发展趋势

11.1 芯片级安全的增强

随着物联网设备的不断发展，芯片级安全将变得越来越重要。未来的芯片可能会集成更多的安全功能，如硬件加密引擎、安全存储模块等，以提高设备的安全性。同时，芯片级证书身份的应用也将更加广泛，确保从芯片到云的整个生命周期的安全。

11.2 人工智能与安全的结合

人工智能技术在物联网安全领域的应用将越来越广泛。通过机器学习和深度学习算法，可以对物联网设备的行为进行分析，及时发现异常行为并采取相应的措施。例如，利用人工智能技术对数据包进行分析，检测是否存在恶意攻击。

11.3 区块链技术的应用

区块链技术具有去中心化、不可篡改等特点，可以为物联网设备的安全提供保障。通过区块链技术，可以实现设备身份的认证和管理，确保设备之间的通信安全。例如，利用区块链技术构建物联网设备的信任网络，防止设备被篡改或伪造。

十二、物联网安全生态系统的构建

12.1 企业合作与联盟

为了提高物联网设备的安全性，企业之间需要加强合作与联盟。例如，芯片制造商、云服务提供商、物联网设备制造商等可以共同合作，建立统一的安全标准和规范，确保整个产业链的安全。

12.2 政府监管与政策支持

政府在物联网安全领域也起着重要的作用。政府可以制定相关的法律法规和政策，加强对物联网设备的监管，推动物联网安全技术的发展。例如，政府可以要求物联网设备制造商在产品中采用一定的安全措施，确保用户的信息安全。

12.3 安全人才培养

物联网安全领域需要大量的专业人才。高校和培训机构可以加强对物联网安全专业的建设，培养更多的专业人才。同时，企业也可以提供培训和发展机会，提高员工的安全意识和技能。

十三、总结与展望

13.1 总结

本文详细介绍了物联网设备的安全技术和应用，包括设备认证流程、Wi-Fi 连接方式、固件架构与低功耗设计、云连接与仪表盘、安全挑战与应对策略、安全设计在物联网设备中的应用、网络设备的安全隐患与防范、Arduino IoT 平台以及建议项目等方面。通过对这些内容的介绍，我们可以看到物联网设备的安全是一个复杂的系统工程，需要从芯片级到云级的全方位保障。

13.2 展望

未来，物联网设备将在更多的领域得到应用，安全问题也将更加突出。我们需要不断地研究和开发新的安全技术，加强安全标准和规范的制定，构建完善的物联网安全生态系统。同时，我们也需要提高用户的安全意识，让用户能够正确地使用物联网设备，保护自己的信息安全。

13.3 技术发展路线图

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A([当前状态]):::startend --> B(芯片级安全增强):::process
    A --> C(人工智能与安全结合):::process
    A --> D(区块链技术应用):::process
    B --> E(构建更安全的物联网设备):::process
    C --> E
    D --> E
    E --> F(完善物联网安全生态系统):::process
    F --> G([未来愿景：安全可靠的物联网]):::startend

13.4 关键技术指标对比

技术指标	现有技术	未来发展趋势
芯片级安全	部分芯片集成基本安全功能	集成更多安全功能，如硬件加密引擎、安全存储模块
安全认证	基于证书和签名验证	结合区块链技术，实现更安全的认证机制
数据加密	端到端加密	多层加密，结合人工智能进行加密优化
安全管理	分散管理	统一的安全管理平台，实现自动化管理

十四、参考项目实践经验

14.1 IoT 机器人项目实践

在开发 IoT 机器人与加密通信通道项目时，我们可以按照以下步骤进行：
1. 选择合适的机器人套件和 Arduino 盾牌和板子。
2. 配置 Wi-Fi 连接，确保机器人可以连接到网络。
3. 实现加密通信功能，可以使用 ATECC508A 芯片或软件加密算法。
4. 开发 Web 控制器系统，实现远程控制机器人的功能。
5. 添加摄像头和麦克风，实现视频和音频传输功能。
6. 测试和优化系统，确保系统的稳定性和安全性。

14.2 加密聊天系统项目实践

在创建基于硬件的加密聊天系统时，我们可以按照以下步骤进行：
1. 选择合适的硬件平台，如 Arduino 开发板。
2. 实现加密算法，可以使用对称加密算法或非对称加密算法。
3. 设计聊天系统的通信协议，确保消息的可靠传输。
4. 开发发送端和接收端的程序，实现消息的加密和解密。
5. 测试和优化系统，确保系统的安全性和性能。

十五、结语

物联网的发展给我们带来了便利，但也带来了安全挑战。通过采用先进的安全技术和设计理念，我们可以构建安全可靠的物联网系统。从芯片级安全到云级安全，从设备认证到数据加密，每一个环节都至关重要。希望本文能够为读者提供一些关于物联网安全的思路和方法，推动物联网安全技术的发展。