高校物聯網建設與安全策略

魏瀅+沙鋒

摘 要：討論物聯網的組網過程和核心技術的基礎上，著重分析了RFID、傳感器、智能終端、校園云等物聯網核心技術在高等學校信息化平臺的綜合應用，并針對校園中物聯網所面臨的安全隱患，從感知識別層、網絡構建層、管理服務層、綜合應用層探討了各層應采用的安全策略。

關鍵詞：物聯網；高等學校；安全策略；信息化平臺

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）10-00-03

0 引 言

隨著高校信息化平臺建設的快速展開和日益完善，物聯網技術逐漸融入到校園的信息化建設中。物聯網軟硬件平臺在高校中的合理構建，不僅可以優化校園配置、提高教學質量、管理效率而且可以提供豐富多樣的教學模式。然而物聯網技術在高校的廣泛應用提供更豐富信息的同時，也增加了暴露信息的危險。本文從信息安全和隱私保護等方面探討高校物聯網建設中的安全策略。

1 物聯網技術的特點及在高校信息化平臺的運用

1.1 物聯網特征

物聯網以感知識別為基礎，通過射頻識別、激光掃描、紅外感應等傳感設備，按規范協議，通過網絡使得物品和物品相連，共享數據信息資源，實現定位跟蹤、智能識別、管理監控[1]。物聯網的信息包含了數據采集、匯聚、融合、傳輸、決策與控制等過程。根據信息生成、處理和應用過程，可以把物聯網分為4層：感知識別層、網絡構建層、管理服務層和綜合應用層[2]。

（1） 感知識別層。感知識別是聯系物理世界和信息世界的紐帶，作為物聯網的核心技術，感知識別層主要負責是數據采集，信息生成方式多樣性。感知識別層通過射頻識別（RFID）、無線傳感器、紅外、藍牙等信息自動生成設備和各種智能電子產品，對環境狀態、物質性質、行為模式等信息展開長期、大規模、實時的獲取。

（2） 網絡構建層。物聯網由雙絞線、同軸電纜、光纖等傳輸媒體構成的有線網絡和以電磁波為傳導媒體的無線網絡組成。主要負責將下行（感知識別層）數據接入互聯網，為上層提供服務。網絡構建層以IPV6下一代互聯網為核心網絡，以WiMax、WiFi、WLAN等無線網絡作為邊緣網絡提供隨時隨地的網絡接入服務，是實現物品與物品互聯的重要基礎設施[3]。

（3） 管理服務層。在數據管理上，管理服務層運用數據中心管理、數據挖掘等技術實現數據過濾、剔除冗余數據、丟失數據定位、高性能計算和網絡存儲。在安全上，面臨的重大挑戰是如何實現數據不被破壞、不被泄露、不被濫用。

（4） 綜合運用層。物聯網繼承了早期互聯網功能：電子郵件、文件傳輸，又實現了以用戶為中心的應用：萬維網、視頻點播、在線游戲、社交網絡、電子商務，再發展到物品追蹤、智能交通、智能家居、智能辦公、智能物流、智能電網。物聯網為滿足用戶需求提供了一系列多樣化、行業化、規模化的解決方案[4，5]。

1.2 物聯網技術在高校中的運用

物聯網技術已逐步在高校日常工作大規模集成化應用，使高校管理融合了網絡化、集成化、智能化、可視化等先進技術。物聯網技術在高校信息化建設過程中有著重要的作用。

（1） RFID在高校園區中的建設

RFID通常由閱讀器、天線和標簽構成。閱讀器中包含傳送器、接收器和微處理器。閱讀器一方面利用詢問器主動向標簽詢問信息，另一方面通過天線同RFID標簽通信。天線負責傳遞射頻信號[6]。標簽附在物體上，利用內部唯一的電子編碼識別目標對象。學生校園卡、學生證中的RFID 標簽，體積小且形狀多樣，里面可以記載學生主要個人信息。RFID有著耐環境性和穿透性強的特點，所以在教室、實驗室、運動館、宿舍區、食堂、會議廳等地方部署天線和RFID閱讀器，收集活動信息，實現平安校園建設。圖書館中的書籍含有記錄圖書信息的RFID標簽，可經濟快速識別輸入數據，并利用閱讀器讀取存儲在RFID的數據信息，將數據傳送到圖書館管理服務器上。借書時根據標簽快速定位，查找到所需書籍。另一方面，圖書管理人員可獲得圖書的借還信息及相應讀者資料。

（2） 傳感器的應用

傳感技術與計算機技術、通信技術共同構成了信息技術的三大支柱，現代傳感器有著微型化、智能化、網絡化的特征，傳感節點不僅包括了傳感器部件，而且集成了微型處理器和無線通信芯片等，能夠對感知的信息進行分析、處理和網絡傳輸。在校園中實驗室、教室、宿舍樓、圖書館的門禁處部署傳感器，當感知得有人員訪問時，傳感器自動掃描訪問者的虹膜、指紋、臉等生物信息，并通過模式識別系統將采集的數據進行處理、特征提取和特征比較，從而確定是否為合法用戶。在實驗室內、圖書館內、或是教室內建設感知照明度、溫度、氣體濃度的傳感器，當感知數據達到一定的范圍時，采取相應的自動控制過程。例如：運用LED“感知”照明，當感知教室無人時自動關閉照明，當有人員進入時根據光照強度自動調照明功率，提供自然柔和的光線。另外，在教學樓頂、地下室、游泳池、湖邊等校園角落配置感應線，給接近者進行安全提示，并開啟監控錄像。另外，傳感器和定位系統結合，將GPS、GSM等多種定位技術與RFID標簽結合，可以對校園的一切物體進行定位。

（3） 校園內智能信息設備的應用

物聯網包含了WiFi、WiMax、和3G的無線寬帶網絡，又包含了藍牙、紅外等無線低速網絡。這些異構網絡融合合力為物聯網提供服務。校園內的智能信息設備以異構網絡為基礎，互聯互通。物聯網打破傳統校園課堂時間和空間受限的特點，將課堂內容、教學資料構成具有聲音、圖像的網絡媒體，以共享個性化服務模式開放給用戶。同學們和老師都可以利用計算機、手機、PAD等多種移動智能終端隨時隨地進行信息檢索、資訊瀏覽、資源下載、留言討論等多元化的互動學習。

（4） 校園云的運用

校園云包括了教育信息化所必須的一切硬件計算資源，這些資源經虛擬化之后，向學校、老師和學生提供一個云服務平臺。將校園內的存儲資源、計算資源、和網絡資源通過物聯網相互連接形成資源池，根據用戶需求調度硬件資源。通過云中間件架構和數據庫平臺為應用層提供服務。應用系統提供統一的門戶，配合瀏覽器或云桌面系統供用戶使用[7]。

2 校園中物聯網的安全策略

2.1 校園中物聯網面臨的安全隱患

RFID、傳感器、智能信息設備廣泛引入高校校園，給我們提供了更豐富的信息的同時，也增加了暴露這些信息的危險，存在著新的安全隱憂。這些安全隱患主要包含：

（1） 竊聽：基于物聯網的校園中，通常會廣泛使用的RFID、傳感器、智能信息設備等。這些設備相對結構簡單、成本低、體積小、電池受限，在內部數據存儲和處理上沒有特殊數據保護和安全算法。另外在傳輸數據時，主要以電磁波作為傳輸媒體，通過無線廣播方式傳輸數據。這樣攻擊者有可能通過信道竊聽，截獲傳輸內容獲取明文信息或簡單的加密密文。即使超高頻RFID通信距離短，不容易直接竊聽，也可以利用中間人攻擊竊聽信息。

（2） 偽裝、重放、復制：攻擊者獲取在學生卡上的標簽信息，然后偽裝用戶與閱讀器交互，欺騙閱讀器。有時將標簽內存儲的回復記錄下來，然后播放給閱讀器，對信息重放。復制主要是記錄下合法的標簽內容然后再寫入到另一個標簽中。

（3） 篡改信息：非授權的修改或擦除RFID標簽上的數據內容，破壞數據的真實性、完整性或有序性。

（4） 物理破解：標簽通常沒有防破解機制，容易被攻擊者破解，并且獲得內部秘密。也可能導致兩種更復雜的攻擊，如：利用現有破解的秘密推斷之前所使用的秘密，以及破譯出該標簽之前所發送的信息。或是通過獲得的部分信息推斷其他還沒破解的信息，從而發起更廣泛的攻擊。

（5） 拒絕服務攻擊：通過連續發送不完整的交互請求，消耗帶寬、存儲、閱讀器等系統資源，使得網絡或服務無法提供正常服務。如：讓系統多個標簽發生沖突、或是頻繁與服務器交付信息，以至于閱讀器或服務器一直處于繁忙狀態，因而無法為發起請求的客戶端提供服務。

（6） 惡意程序的主動攻擊，主要包含：計算機病毒、RFID病毒、計算機蠕蟲、特洛伊木馬、邏輯炸彈等。

（7） 隱私信息泄露：由于在服務器上存儲著每位同學的個人信息以及學校的數據信息，所以一旦服務器受到攻擊，則隱私信息就會隨之泄露。

（8） 跟蹤：由于RFID標簽上的信息，則可以通過標注標簽攜帶人或者物體，跟蹤標簽攜帶者[2，8，9]。

2.2 安全策略

加密技術是信息安全基礎，防御技術為信息安全提供保障。可靠的安全策略應該貫穿在整個校園物聯網的構建過程。物聯網整體結構由四層構成，可以每層結構中加入安全控制策略，降低物聯網的安全隱患。

感知識別層主要采用物理安全機制與加密技術結合保障信息安全性。物理安全機制主要有：滅活標簽、屏蔽電磁波的法拉第網罩、廣播干擾信號的主動干擾、鎖定標簽。在學校里主要的感知設備有二維碼、RFID、傳感器、紅外傳感等，實現設備內數據信息安全可以通過對稱性秘鑰機制、公鑰密碼機制，如哈希鎖，每個標簽不使用真實的ID，而是使用一個metaID代替。標簽內都有一個哈希函數和一個用來臨時存儲metaID的內存，在鎖定狀態下，感知設備使用metaID響應查詢，在非鎖定狀態下，感知設備可以交互信息[9]。

網絡構建層融合了多種異構網絡，以電磁波為主要傳輸介質。實現網絡構建層的信息安全，可運用加密技術、數字簽名、鑒別、密鑰管理、安全路由算法機制、防火墻創建等。在訪問控制中登錄口令、傳送信息內容都需要運用加密技術。數字簽名實現網絡中傳送的文電蓋章使得接受者可核實發送者的簽名，傳送的數據沒有被篡改過報文完整，發送者也不可抵賴對報文的簽名。鑒別主要由報文鑒別與實體鑒別構成。秘鑰管理主要由秘鑰的產生、分配、注入、驗證和使用所組成[10]。

管理服務層采用入侵檢測與容錯技術，當惡意入侵時，網絡仍然可以正常運行，海量信息被智能化的處理，為物聯網應用提供應用。另外，管理服務層運用用戶身份認證、信息口令加密實現用戶安全訪問控制，以及身份匿名、數據混淆對隱私數據進行保護，防止攻擊者利用用戶訪問信息推測出大量用戶個人隱私。

綜合運用層主要面向用戶終端，安全策略上主要以制定相關的制度約束、用戶控制為主。

3 結 語

物聯網融合了多種異構網絡，在高校信息化建設中發揮著重要作用。高校的物聯網與移動通信網絡、因特網和傳感網絡一樣為學生、老師們提供豐富的信息同時，也存在同樣的安全問題。另外，在異構網絡認證、信息管理存儲、訪問控制、隱私保護上還具有其特殊性。物聯網在高校的規模和服務應用不斷增大，安全問題日益顯著，合理的安全策略在優化校園信息化平臺建設和科學管理上發揮著巨大作用。

參考文獻

[1]胡永利，孫艷豐，尹寶才.物聯網信息感知與交互技術[J].計算機學報，2012，35（6）： 1147-1163.

[2]劉云浩.物聯網導論[M]. 北京： 科學出版社， 2011.

[3]王濤.無線網路技術導論[M]. 北京： 機械工業出版社， 2011.

[4]劉強，崔麗，劉海明.物聯網關鍵技術與運用[J].計算機科學，2010 （6）：1-4.

[5]陳海明，崔莉，謝開斌.物聯網體系結構與實現方法的比較研究[J].計算機學報，2013，36（1）：168-188.

[6]李春若.基于物聯網的智慧校園研究[J].信息與電腦，2012 （2）：91-92.

[7]陳康，鄭緯民.云計算：系統實例與研究現狀[J].軟件學報，2009，20（5）：1337-1348.

[8]謝希仁.計算機網絡[M]. 北京：電子工業出版社，2013.

[9]楊庚，許建，陳偉，等.物聯網安全特征與關鍵技術[J].南京郵電大學學報：自然科學版，2010，30（4）：20-29.

[10]馬鑫，黃全義，疏學明，等.物聯網在公共安全領域中的應用研究[J].中國安全科學學報，2010，20（7）：170-176.