短距离无线解决方案和网状网络的安全性

近年来，短距离无线解决方案的使用呈爆炸式增长，这主要是由于低功耗蓝牙（BLE）标准的到来。虽然以前存在许多短程无线解决方案，但它们的采用是有限的。这要么是因为他们专注于利基市场 - 如Zigbee或ANT - 要么不适合电池供电或间歇性用例 - 如蓝牙“经典”。BLE实现了原始蓝牙标准的一般“电缆更换”目标，并且随着BLE在手机，笔记本电脑和平板电脑上迅速原生可用，有一个现成的设备市场可以连接。

大多数早期的BLE解决方案都是一个设备与另一个设备之间非常简单的点对点（P2P）连接。BLE连接有两个主要的安全级别：“配对过程”，即在两个设备之间建立安全链路，然后对实际数据传输进行数据加密。

配对在很多方面都是P2P连接安全性的弱点，并且可能受到“中间人”攻击，即第三方设备连接到两个合法设备并将自身放置在它们之间，从而允许它监视或操纵数据流量。这种风险可以通过“带外”数据交换进行配对来降低，这涉及手动输入密码或通过不同的通道（如NFC）交换密钥。缺点是增加了用户的复杂性和设备的成本。

这凸显了在考虑安全性时的一个关键问题 - 很少有“正确”的答案。挑战在于在安全性、可用性和成本之间找到正确的权衡。

数据加密 | 超越

建立连接后，数据通过AES-CCM 128位对称密钥加密进行加密，这通常被认为是安全的。但是，只有在密钥保持机密的情况下，这才是正确的。许多简单的BLE设备的一个问题是，它们的集成微处理器受到限制，没有安全的内存存储。因此，攻击者可以暂时获得对设备的访问权限并窃取密钥以用于将来的间谍目的。

即使我们假设链接是安全的，这也只会建立安全的P2P连接。较新的应用程序连接越来越广泛，数据最终传输的范围远远超出了简单的P2P链路 - 可能从设备到手机，然后到云端，然后传输到进一步的专有系统。这为那些有恶意意图的人带来了一个大大扩大的“攻击面”。

在这样的环境中，链路级安全性可能不再足够，可能需要端到端的安全层来确保安全操作。如果以医疗可穿戴设备为例，在极端情况下，错误的数据可能会危及生命。

端到端安全注意事项

对于端到端安全系统，有两个主要考虑因素。加密是一个 - 数据可以从一端传递到另一端，但即使他们完全控制了中间中继点，任何人都无法读取。第二个是身份验证 - 显然来自终端设备的数据确实来自该设备，而不是由恶意行为者注入，反之亦然。

加密通常被视为安全性中的主要问题，但身份验证通常是最关键的步骤。为了说明这一点，当您使用信用卡/银行卡时，您可能不希望人们监视您的金融交易，但是如果有人可以很容易地假装成您并访问您的银行帐户，您可能会更加担心。

公钥/私钥加密方法提供了对交易进行身份验证和保护的方法。使用接收方的公钥进行加密意味着只有它们可以对其进行解码。使用发件人的私钥进行加密意味着任何人都可以验证发件人的身份。

不幸的是，在安全领域，解决一个问题往往会导致简单地创建另一个问题。在这种情况下，出现的直接问题是您如何安全地交换和存储密钥。例如，网状网络为安全架构带来了额外的挑战，因为通过设计，它们的目标是使将设备添加到智能家居网络等网络中变得容易。风险在于，恶意黑客可能会找到一种方法将设备加入网络，然后造成损害，进入或采用设备进行拒绝服务攻击。

网状网络可能特别容易受到攻击，因为它们可以具有通用网络密钥。因此，如果获得此密钥，则可以免费访问整个网络。在这样的系统中，密钥存储变得至关重要，因为即使入侵者可以临时访问设备，密钥仍然处于隐藏状态。

密钥存储的最终解决方案是使用由受信任的合作伙伴在安全工厂中编程的硬件“安全元件”。这种方法已成功应用于智能卡以保护银行卡，并应用于SIM卡以限制对蜂窝网络的访问。

但是，该解决方案仅适用于由少数跨国数字安全公司大量生产的系统。显然，将其转移到短程通信领域会带来与市场碎片化相关的几个问题，许多产品和行业参与者。

虽然老一代无线设备通常是完全开放的，但新一代产品将其他安全功能集成到系统中。除其他事项外，ARM的“信任区”还包括一个安全的密钥单元。在这里，密钥存储单元和加密服务保存在处理器的安全部分中。在实践中，这意味着密钥可以放入，但一旦进入内部就无法读出，并且加密操作在安全部分内部进行。

“信任区”可以被认为是将安全性从零提高到最终“智能卡”级别的第一步。然而，它因在标准芯片中实现而没有特定的硬件保护，以防止通过侧通道读取密钥，例如功率波动。它也可以说过于灵活，这意味着没有经验的设计师可能会因错误而留下安全漏洞。

安全性后续步骤

实现安全性的下一步是添加一个硬件安全元件，该元件的作用与智能卡中的安全元件大致相同。在这里，问题是以相对安全的方式管理密钥的配置，而不会产生安全的“Fort Knox”可信工厂的高开销。

未来的芯片组和模块肯定会具有比目前常态更高的安全级别。将包括基于通信SoC中的嵌入式区域或配套硬件安全元件的密钥存储解决方案。密钥的配置也将不断发展，以满足不同安全级别的需求，同时避免智能卡行业所用方法的成本和复杂性。

无线更新是最新一代无线设备的常见功能，为黑客提供了另一种攻击。这受安全启动进程的保护，该过程在启动时验证要加载的代码自上次启动以来是否未更改，并且任何更新程序包都包含正确的数字签名以验证代码的来源。

许多新一代设备还将安全启动过程集成到安全硬件元素中。

将安全性集成到无线设备中

最终，安全性始终是一种权衡。添加安全功能会增加成本、设计复杂性并降低性能特征，包括吞吐量、功耗和可用性。这对于小型无线设备尤其重要，这些设备通常旨在降低成本并使用简单，有限的接口。

然而，随着无线设备的复杂程度和连接性的增长，恶意黑客的兴趣也在增加。这是一个持续的挑战，等待无线设计人员做出回应。

审核编辑：郭婷