摘 要： 隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展及應(yīng)用的不斷深入，其安全和隱私問題變得越來越突出。本文分析了物聯(lián)網(wǎng)各層的隱私安全威脅，對現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)隱私保護的技術(shù)和方法進行了對比分析，給出了物聯(lián)網(wǎng)隱私保護的研究方向。
關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；隱私保護；匿名化；加密
0 引言
物聯(lián)網(wǎng)概念自提出以來，便受到各界的廣泛關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的又一次浪潮。目前，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在智慧電力、智能家居、醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用，正改變著人類的生活和工作方式。
然而，物聯(lián)網(wǎng)的安全與隱私保護問題嚴(yán)重阻礙了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，因此研究物聯(lián)網(wǎng)隱私保護，并制定出良好的隱私保護解決方案，對推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及應(yīng)用具有十分重要的意義。
目前，業(yè)界對物聯(lián)網(wǎng)隱私保護進行了部分研究工作。參考文獻[1]提出了一種基于P2DR2（Policy，Protection，Detection，Response，Restore）的動態(tài)安全防御模型，其方法是采用分層設(shè)計和多種安全機制的思想來應(yīng)對安全威脅。參考文獻[2]提出從技術(shù)和法律兩方面應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)的安全和隱私問題。但對物聯(lián)網(wǎng)安全和隱私保護的系統(tǒng)性研究還不多。本文分析了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)結(jié)構(gòu)中各層中的隱私威脅，對現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)隱私保護方法的利弊進行了對比分析和總結(jié)。
1 物聯(lián)網(wǎng)概述
1.1 物聯(lián)網(wǎng)概念
1999年美國麻省理工學(xué)院（MIT）首次提出了物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，IoT）的概念[3]。國際電信聯(lián)盟（ITU）2005年度報告中提到：物聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)任何時間、任何地點、任何人、任何物體之間的信息通信[4]。物聯(lián)網(wǎng)有3大特征：一是全面感知，即通過RFID（Radio Frequency Identification）和傳感器等傳感設(shè)備隨時隨地獲取物體的相關(guān)數(shù)據(jù)和位置信息；二是可靠傳輸，即通過將物體接入網(wǎng)絡(luò)，利用通信網(wǎng)絡(luò)，將物體的信息進行可靠的傳輸；三是智能處理，即利用各種智能計算技術(shù)，對感知到的海量數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，實現(xiàn)智能化的決策和控制。
1.2 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)
到目前為止，國際上還沒有制定出物聯(lián)網(wǎng)框架體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在被業(yè)界廣泛認可的是ITU-T建議的三層架構(gòu)，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層，物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。
物聯(lián)網(wǎng)各層的主要任務(wù)和功能如下：
感知層：完成節(jié)點數(shù)據(jù)收集、物體感知和控制。感知層包含兩個部分：感知節(jié)點和感知層網(wǎng)絡(luò)。感知節(jié)點用來采集數(shù)據(jù)和實現(xiàn)對物體的控制，感知層網(wǎng)絡(luò)將感知節(jié)點采集的數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)或?qū)⒅噶畎l(fā)送到感知節(jié)點控制器。
網(wǎng)絡(luò)層：把感知層采集的數(shù)據(jù)傳輸至處理層，處理層再對數(shù)據(jù)進行加工處理。數(shù)據(jù)傳輸主要通過2G、3G等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實現(xiàn)。處理層采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分類、聚合和處理。
應(yīng)用層：根據(jù)具體行業(yè)和用戶需求，實現(xiàn)具體的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。目前物聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)有：智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等。
2 物聯(lián)網(wǎng)安全隱私威脅
物聯(lián)網(wǎng)的隱私威脅大致分為兩類：基于數(shù)據(jù)的安全威脅和基于位置的安全威脅。基于數(shù)據(jù)的安全威脅包括數(shù)據(jù)傳輸、中間處理結(jié)果等數(shù)據(jù)丟失泄露，主要發(fā)生在感知層和處理層。基于位置的隱私威脅包括RFID閱讀器位置隱私、RFID使用者位置隱私，物聯(lián)網(wǎng)傳輸節(jié)點信息時，節(jié)點信息就有可能被跟蹤或泄露。
2.1感知層的安全威脅
感知層面臨的威脅主要有針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）的安全威脅和針對射頻識別（RFID）的安全威脅。
（1）針對WSN的安全威脅
WSN的安全威脅主要是傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和傳輸安全。由于傳感節(jié)點大多部署在無人監(jiān)控的環(huán)境，無線本身存在開放性，因此無線傳輸易受到外界干擾和非法用戶攻擊。針對WSN的主要威脅如表1所示。
（2）針對RFID的安全威脅
RFID的安全威脅主要指在RFID閱讀器和標(biāo)簽進行通信時遭到的攻擊，此類攻擊通常會導(dǎo)致用戶隱私泄露。此外，還由于RFID標(biāo)簽是可擦寫的，因此RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)的安全性和有效性將得不到保證。RFID面臨的安全威脅如表2所示。
2.2 網(wǎng)絡(luò)層安全威脅
網(wǎng)絡(luò)層主要負責(zé)將傳感層采集的數(shù)據(jù)傳送到處理層，以便處理層對數(shù)據(jù)進行智能分析和決策。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常采用無線技術(shù)，而無線數(shù)據(jù)容易被竊聽、修改、插入、刪除和重傳。
2.3 應(yīng)用層安全威脅
應(yīng)用層的安全威脅主要包括數(shù)據(jù)處理和業(yè)務(wù)控制、管理和認證機制、個人隱私保護等。由于傳感節(jié)點大都處于無人值守的狀態(tài)，所以面臨節(jié)點業(yè)務(wù)配置的問題。在物聯(lián)網(wǎng)具體應(yīng)用中，傳感節(jié)點會收集用戶大量隱私數(shù)據(jù)，用戶的這些隱私數(shù)據(jù)極易遭到泄露。
3 物聯(lián)網(wǎng)隱私保護方法
目前，隱私保護技術(shù)在數(shù)據(jù)挖掘和無線傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域已得到初步應(yīng)用。根據(jù)前面講到的隱私威脅分類可以將隱私保護技術(shù)劃分為三類：
（1）匿名化處理方法
采用匿名化算法，將用戶的敏感信息進行修改和隱藏，防止非法用戶識別關(guān)鍵信息。
定義1 K-匿名化。設(shè)原始數(shù)據(jù)表為PT（A1，…，An），匿名化后數(shù)據(jù)表RT（A1，…An），QIRT是與其對應(yīng)的準(zhǔn)標(biāo)志符。RT的每一條數(shù)據(jù)記錄與其他k-1條數(shù)據(jù)記錄具有相同的準(zhǔn)標(biāo)志符屬性值。表3為病人醫(yī)療檔案表，表4是表3的K-匿名化表。
（2）加密類方法
通過加密技術(shù)，將原始數(shù)據(jù)進行加密處理，以防隱私被泄露或被非法竊取。同態(tài)加密技術(shù)和多方計算技術(shù)（Secure Multi-Party Computation）是常用的加密類方法。
定義2 同態(tài)加密是采用同態(tài)原理的一種加密函數(shù)，不須知道解密函數(shù)，直接對數(shù)據(jù)進行加密處理。它的形式化定義如下：設(shè)x和y是明文空間M中的元素，是M上的運算，EK（）是M上密鑰空間為K的加密函數(shù)，則稱加密函數(shù)EK（）對運算是同態(tài)的，如果存在一個有效的算法A使得：
A（EK（x），EK（y））=EK（xy）
定義3 安全多方計算（SMC）用于解決一組互不信任的參與方之間保護隱私的協(xié)同計算問題，SMC要確保輸入的獨立性和計算的正確性，同時不泄露各輸入值給參與計算的其他成員。可以描述成：
n個成員p1，p2，…，pn分別持有秘密的輸入x1，x2，…，xn，試圖計算函數(shù)值f（x1，x2，…，xn），其中f為給定的函數(shù)，在此過程中，每個成員i僅知道自己的輸入數(shù)據(jù)xi，最后的計算結(jié)果f（x1，x2，…，xn）返回給每個成員。
（3）路由協(xié)議方法
路由協(xié)議方法通過對WSN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點路由的協(xié)議控制，實現(xiàn)對節(jié)點的保護，主要用于無線傳感節(jié)點位置隱私保護。路由協(xié)議方法采用隨機路由配置策略，數(shù)據(jù)包在傳送時，傳輸路由不都是從源節(jié)點向匯聚節(jié)點傳送的，且轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的數(shù)據(jù)包不定時向匯聚節(jié)點相反的方向傳送。數(shù)據(jù)包傳輸過程中所采用的傳送路徑是隨機分配的，以防止節(jié)點位置被準(zhǔn)確獲取。
3.1 匿名化技術(shù)在隱私保護中的具體應(yīng)用
3.1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)位置的隱私保護
參考文獻[5]提出一種基于臨時位置信息的偽造位置隱私的改進方案，通過對空間位置的偽裝，完成對真實節(jié)點位置的掩蓋，使得節(jié)點的位置信息得到有效保護。實現(xiàn)了WSN數(shù)據(jù)和位置信息的同時保護。
3.1.2 基于位置服務(wù)的隱私保護
如果用戶向位置服務(wù)器發(fā)送服務(wù)請求，就需要對用戶的位置信息進行保護。參考文獻[6]提出基于匿名通信原理和可計算加密算法的一種LBS隱私保護安全模型，采用Onion Routing算法和全同態(tài)加密算法實現(xiàn)，實現(xiàn)位置信息和服務(wù)內(nèi)容的隱私保護。經(jīng)過實驗驗證，該方法具有很高的匿名性和高安全性。缺點是算法復(fù)雜度較高。
3.1.3 數(shù)據(jù)查詢的隱私保護
當(dāng)用戶向服務(wù)器請求查詢服務(wù)時，有可能造成用戶數(shù)據(jù)的泄露。參考文獻[7]采用K-匿名算法，通過直接匿名化數(shù)據(jù)計算標(biāo)識符對敏感屬性效用的方法，保護數(shù)據(jù)隱私，缺點是算法性能不好。
匿名化方法用途廣泛，可同時用于數(shù)據(jù)隱私保護和位置隱私保護，并且算法簡單、網(wǎng)絡(luò)延時少、網(wǎng)絡(luò)消耗低。缺點是保護數(shù)據(jù)隱私時，造成原始數(shù)據(jù)的丟失，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
3.2 加密類方法在隱私保護中的具體應(yīng)用
3.2.1 RFID的隱私保護
RFID的隱私問題主要有：RFID使用者的隱私信息和RFID閱讀器位置隱私等。
參考文獻[8]提出一種基于Hash函數(shù)的雙向認證協(xié)議，有效解決RFID系統(tǒng)的安全隱患問題，該協(xié)議成本低、負載小，適用于大規(guī)模的電子標(biāo)簽系統(tǒng)，具有較高的實用價值。
Hash函數(shù)運算量小，資源損耗低，能有效保護RFID信息。缺點是RFID的數(shù)目與服務(wù)器端的負載成正比。
近年來，國內(nèi)一些學(xué)者還提出了一些其他的RFID隱私保護方法，參考文獻[9]在綜合硬件設(shè)備、安全性和成本因素后，提出一種輕量級加密協(xié)議——HB家族協(xié)議，實現(xiàn)對RFID系統(tǒng)的高效認證。該協(xié)議對計算量和存儲量均要求不高，適用于電子標(biāo)簽類的設(shè)備。參考文獻[10]提出一種使用口令提升RFID協(xié)議安全性的方法，須具備口令才可通過用戶認證，該方法主要用于低成本被動式電子標(biāo)簽，與高強度加密方法不同的是，沒有增加標(biāo)簽成本。
3.2.2 WSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)隱私保護
參考文獻[11]介紹了當(dāng)前3種典型的數(shù)據(jù)聚合隱私保護協(xié)議，詳細分析了基于擾動技術(shù)、基于數(shù)據(jù)分片和基于同態(tài)加密等三種方法的數(shù)據(jù)聚合隱私保護協(xié)議的優(yōu)缺點，能提供很高的數(shù)據(jù)聚合結(jié)果的準(zhǔn)確性和隱私保護性，缺點是計算量和通信開銷較大。
3.2.3 數(shù)據(jù)挖掘隱私保護
參考文獻[11]提出基于全同態(tài)加密協(xié)議和數(shù)據(jù)擾動方法的隱私保護聚類模型，該協(xié)議主要針對垂直式分布式數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，通過添加隨機向量擾亂原始數(shù)據(jù)和全同態(tài)加密協(xié)議，有效防范了原始數(shù)據(jù)的泄露，在保護原始數(shù)據(jù)的同時，也保護了中間計算結(jié)果。
此類加密算法采用同態(tài)加密協(xié)議，對隱私數(shù)據(jù)加密處理，能同時保護源數(shù)據(jù)和中間結(jié)果的隱私性。缺點是算法性能較差，運算量大，通信開銷大。
3.3 路由協(xié)議方法的具體應(yīng)用
參考文獻[11]提出一種數(shù)據(jù)源位置隱私保護策略，利用匿名機制和幻影單徑路由協(xié)議，實現(xiàn)源節(jié)點的匿名，從而提高數(shù)據(jù)源節(jié)點的位置隱私安全。
路由協(xié)議方法需要發(fā)送大量的信息來實現(xiàn)隱私保護，因此通信開銷較大、通信延時長。
4 總結(jié)
針對物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)安全隱私威脅，對物聯(lián)網(wǎng)隱私保護方法如表5所示歸納。
使用匿名化技術(shù)、加密技術(shù)、路由協(xié)議技術(shù)對隱私保護的對比分析如表6所示。
我國的物聯(lián)網(wǎng)研究起步雖晚，但發(fā)展迅速，并取得了一些科技成果，但仍有一些問題需要我們?nèi)パ芯拷鉀Q。首先是技術(shù)問題，應(yīng)該進一步完善現(xiàn)有的隱私保護技術(shù)。對于文中提出到的三種隱私保護技術(shù)，應(yīng)該研究如何提高匿名化方法的隱私保護程度、降低同態(tài)加密技術(shù)的算法復(fù)雜度、減少路由協(xié)議技術(shù)的通信開銷等。其次就是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的隱私保護問題。多網(wǎng)融合是未來發(fā)展的必然趨勢，融合后的網(wǎng)絡(luò)隱私保護將是一項嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。
任何事物都有其兩面性。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在給人們帶來經(jīng)濟發(fā)展和生活便利的同時，又帶來一些信息安全和隱私泄露等方面的問題。相信在不遠的將來，問題將會得到解決，“感知中國”將不再是夢想。
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