Аспекты безопасной передачи данных в сетях IoT и их практическая реализация в LoRaWAN

Введение

В настоящее время сети Интернета вещей (Internet of Things, IoT) типа LPWAN (Low Power Wide Area Network) активно строятся по всему миру, однако вопрос безопасности передаваемых по ним данных и сигналов управления до сих пор остаётся открытым как для потенциальных клиентов, так и для телекоммуникационных специалистов.

Рассмотрим общие принципы защиты данных в сетях IoT на примере сети стандарта LoRaWAN (LongRange Wide Access Network), построенной в Российской Федерации АО «ЭР-Телеком Холдинг». Именно технология LoRaWAN сейчас является драйвером развития направления IoT во всём мире [1] и используется в качестве основного инструмента для управления критически важной инфраструктурой, транспортом, производством, здравоохранением, муниципальным и сельским хозяйством более чем в 100 странах мира.

Защита данных в любой сети Интернета вещей, независимо от конкретного стандарта или технологии, должна соответствовать следующим критериям:

Кроме того, стоит отметить необходимость защиты от атак серверов (операторских, управляющих сетью, и клиентских, на которых запускаются приложения обработки пользовательских данных), однако данный вопрос является слишком объёмным и рассмотреть его в рамках статьи не представляется возможным.

Описание архитектуры сети IoT на примере LoRaWAN

Сеть LoRaWAN состоит из следующих элементов (см. рис. 1): абонентские терминалы, базовые станции (шлюзы), сетевой сервер и серверы приложений.

Абонентский терминал – обобщающее наименование для сенсоров, датчиков, счётчиков, актуаторов и радиомодулей IoT, устанавливаемых на стороне пользователя.

Базовая станция (БС) выполняет функции сопряжения и взаимодействия радиосети с абонентским терминалом и концентрации нагрузки с группы терминалов. Совокупность базовых станций оператора обеспечивает территорию радиопокрытия сети и прозрачную двунаправленную передачу данных между конечными устройствами и сетевым сервером.

Сетевой сервер – программно-аппаратный комплекс, управляющий радиосетью, контролирующий её и выполняющий маршрутизацию пакетов данных от абонентских терминалов до соответствующих серверов приложений.

Управление радиосетью состоит в том, что сетевой сервер сети LoRaWAN выбирает БС для передачи сообщений в направлении «вниз» (downlink), принимает решения о необходимости изменения скорости передачи данных для каждого терминала, мощности передатчика, контролирует заряд батарей конечных устройств, шифрует данные и т.п.

Контроль радиосети включает функции мониторинга, сбора статистики и аварийного информирования.

Каждый пакет данных, отправляемый абонентским терминалом, имеет в своём составе уникальный идентификатор DevAddr, а на сетевом сервере хранится запись о соответствии DevAddr и URL-сервера приложений, которому предназначена информация от терминала (датчика). На основании этого соответствия сетевой сервер выполняет маршрутизацию пакета до сервера приложений, где происходит его дальнейшая обработка приложением клиента.

Сервер приложений – платформа, производящая обработку данных, получаемых от терминалов и направляемых к ним. Помимо работы с данными, сервер приложения может управлять терминалами с уровня приложения (например, переводить их в режим работы другого класса, управлять опцией адаптивной передачи данных, мультикаста и т.п.). Сервер приложений может находиться на территории оператора, на территории клиента или в одном из «облачных» сервисов.

Обеспечение безопасности передаваемых данных

В сети IoT LoRaWAN используется многоуровневая система безопасности передачи данных (см. рис. 2).

1-й уровень. AES-шифрование на уровне приложения (end-to-end, т.е. между абонентским терминалом и сервером приложений) с помощью 128-битного переменного сессионного ключа Application session key (AppSKey). Данный ключ шифрования хранится в абонентском терминале и на сервере приложений и недоступен оператору сети (доступ к AppSKey есть только у клиента – владельца сервера приложений). Формирование сессионного ключа происходит параллельно в абонентском терминале и на стороне сети во время процедуры активации терминала; через эфир AppSKey не передаётся.

2-й уровень. AES-шифрование и проверка целостности сообщений на сетевом уровне (между абонентским терминалом и сетевым сервером) с помощью 128-битного переменного сессионного ключа Network session key (NwkSKey). Данный уровень шифрования используется для защиты передаваемых сигнальных команд на МАС-уровне, а также для вычисления MIC (Message Integrity Code) с целью проверки целостности данных, передаваемых по радиоинтерфейсу. NwkSKey хранится в абонентском терминале и на сетевом сервере и недоступен клиенту (доступ к NwkSKey есть только у оператора сети – владельца сетевого сервера). Формирование сессионного ключа NwkSKey также происходит параллельно в абонентском терминале и на стороне сети во время процедуры активации терминала; через эфир NwkSKey не передаётся.

3-й уровень. Стандартные методы аутентификации и шифрования интернет-протокола (IPsec, TLS и т.п.) при передаче данных по транспортной сети между узлами сети (базовая станция, сетевой сервер, Join-сервер (см. далее), сервер приложений).

По команде приложения или сетевого сервера в любой момент возможен переход на новую сессию с генерацией нового комплекта ключей шифрования, что делает бесполезными старые ключи шифрования. Кроме того, имеется возможность установки периодической генерации нового комплекта ключей NwkSKey и AppSKey.

В версии стандарта LoRaWAN V1.0.x [2] формирование сессионных ключей на стороне сети производится на сетевом сервере (NS), однако в версии V1.1 [3] для этих целей определяется выделенный сервер (так называемый Join-сервер) (см. рис. 3), который может быть дополнительно защищён отдельным аппаратным модулем безопасности HSM (Hardware Security Module).

В этом случае для безопасной передачи сгенерированных сессионных ключей между серверами, а также хранения их на сетевом сервере и сервере приложений внедряются дополнительные ключи: AS_Key для ключа AppSKey и LRC_K для ключа NwkSKey. На абонентском устройстве ключи шифрования опционально могут защищаться специальным аппаратным элементом безопасности Secure Element (например, микроконтроллером Microchip ATECC608A), что исключит их компрометацию в случае физического воздействия на терминал.

Внедрение аппаратных средств защиты в сети и на терминале делает бесполезными попытки перехвата сессионных ключей при передаче их между серверами и взлома серверов или абонентских устройств с целью извлечения сессионных ключей.

Рассмотренные мероприятия создают также условия для защищённого роуминга данных (безопасной авторизации датчиков в гостевой сети и защищённой передачи данных домашнему серверу приложений из гостевой сети).

В целях дополнительной защиты процесса генерации сессионных ключей Join-сервер может быть физически вынесен на территорию клиента или производителя устройств (см. рис. 4). В этом случае даже сотрудники оператора не смогут получить доступ к сессионным и корневым ключам шифрования абонентского терминала.

Несмотря на то что в РФ не требуется обязательная сертификация средств кодирования (шифрования) при передаче сообщений, не составляющих государственную тайну [4], по требованию заказчика используемые в стандарте LoRaWAN уровни шифрования AES-128 могут быть дополнены одним из стандартизованных в РФ алгоритмов, входящих в семейство ГОСТ Р 34.10-2012 [5], ГОСТ Р 34.11-2012 [6], или алгоритмом «Кузнечик» (согласно ГОСТ Р 34.12-2015 [7] и ГОСТ Р 34.13-2015 [8]). Для этого при производстве абонентских терминалов LoRaWAN предлагается устанавливать в них дополнительный микроконтроллер СКЗИ, сертифицированный ФСБ России и соответствующий требованиям, предъявляемым к шифровальным средствам класса КС3 (дистанционное банковское обслуживание, электронный документооборот в государственном секторе и т.д.). В качестве такого микроконтроллера могут быть использованы, например, микропроцессоры отечественного производства «Микрон MIK51SC72D» или «Микрон MIK51AD144D», сертифицированные ФСТЭК и ФСБ России, имеющие небольшие размеры (около 14 мм²) и малое энергопотребление.

Схема безопасности данных в сети LoRaWAN с дополнительным уровнем СКЗИ представлена на рисунке 5.

Ключ шифрования уровня СКЗИ, например SubSKey (согласно ГОСТ Р 34.12-2015 [7]), прошивается в абонентский терминал LoRaWAN при производстве, так же как и корневой ключ уровней шифрования 1–2 LoRaWAN, или внедряется в терминал вместе с микроконтроллером СКЗИ при введении терминала в эксплуатацию (путём использования специального слота). Дешифрация данных уровня СКЗИ производится на территории заказчика сервером приложений после дешифрации уровня приложения сессионным ключом AppSKey. Ключ шифрования SubSKey передаётся клиенту вместе с датчиком непосредственно производителем абонентского терминала и недоступен сотрудникам оператора сети LoRaWAN.

Выводы

Обозначенные ранее критерии безопасной передачи данных в сети IoT стандарта LoRaWAN реализуются следующими способами:

Литература