CN111654860B - 一种物联网设备网络流量整形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种物联网设备网络流量整形方法，利用物联网设备需连接服务器进行版本更新、心跳通信等特点，将用户相关数据进行分割和分批发送，并将其网络流量模拟成常见的物联网设备常规功能数据流量，避免了网络流量速率峰值的出现，实现平稳的网络流，进而迷惑网络攻击者使其无法从网络流量特征中识别出用户相关数据和具体的用户行为。本方法无需增加任何填充数据，对网络带宽的额外消耗少，减少了对电量资源的影响，对物联网设备网络流量隐私保护具有重要实用价值。

Description

一种物联网设备网络流量整形方法

技术领域

本发明属于物联网隐私信息安全防护领域，尤其是一种物联网设备网络流量整形方法。

背景技术

物联网设备已经广泛应用于人们的日常生活，如智能音箱、智能手环、智能血压仪等。这些物联网设备在便捷人们生活的同时，也给用户的隐私信息安全带来了威胁。其中，一个隐蔽、难以被用户察觉的隐私信息泄露方式为网络流量特征统计。黑客通过观察物联网设备发出的网络流量，即可判断出用户的日常生活习惯。如研究人员分析Sense睡眠监测器(Sensesleepmonitor)产生的网络流量速率(字节/每秒)，发现当用户从睡眠状态中清醒时，网络流量速率便出现一个峰值。通过该特点，黑客便可以推断出用户何时入睡、何时清醒以及起床时间等生活习惯。

究其原因，在于当用户行为发送改变时，物联网设备会捕获该事件(这是物联网设备的内在功能)，进而产生较多的数据并发送至后台应用服务器。因此，物联网设备产生的网络流量将隐含用户的隐私信息(如高速率对应用户的具体行为等)。为保护用户隐私信息安全，消除物联网设备网络流量的特殊特征，现有工作提出了一些解决方法。现有解决方法的核心思路是报文填充，让物联网设备在空闲时段也发送一些随机的填充报文，进而迷惑黑客。网络黑客在观察分析网络流量时，会发现物联网设备一直或频繁发送相近数量的网络数据(即物联网设备一直保持高频率的报文发送)，因而无法从网络流量统计特征中区分出哪些是用户相关数据，哪些是随机填充数据。但此类方法需要物联网设备持续发送填充数据，消耗了大量的网络带宽、设备电量等稀缺资源，在实际应用中存在一定局限，甚至无法使用。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种物联网设备网络流量整形方法，通过将用户相关数据进行分割和分批发送，并将其模拟成物联网设备的常规功能数据，让攻击者无法从网络流量特征中识别出具体的用户行为，从而保护了用户隐私信息，且无需增加任何填充数据，对网络带宽的额外消耗少，具有重要实用价值。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种物联网设备网络流量整形方法，包括以下步骤：

步骤1：在物联网设备中构建常规功能数据缓冲区和用户相关数据缓冲区，分别用于接收物联网设备的常规功能所发送的数据和核心功能所发送的数据；

步骤2：读取常规功能数据缓冲区的数据，构建常规数据长度集合S_L和常规数据时间间隔集合S_T，分别用于存储常规数据的长度值和前后发送的数据之间的时间间隔；

步骤3：从常规数据长度集合S_L中随机选择一个值L作为数据发送长度，从常规数据时间间隔集合S_T中随机选择一个值T作为数据发送的时间间隔，读取用户相关数据缓冲区的数据，等待时间T后向服务器发送对应长度的数据，直至用户相关数据全部发送完毕；

步骤4：判断物联网设备是否继续运行，若是，则转步骤2，否则，进入下一步；

步骤5：服务器接收物联网设备发送的数据：若“数据类型”字段值为0，则读取全部数据内容，执行正常业务流程，服务器继续接收数据；若“数据类型”字段值为1且“结束状态”字段值为0，则读取并保存全部数据内容，服务器继续接收数据；若“数据类型”字段值为1且“结束状态”字段值为1，则读取数据内容并合并之前已保存的数据，执行正常业务流程。

进一步的，本发明的物联网设备网络流量整形方法，步骤1中常规功能数据缓冲区和用户相关数据缓冲区分别为2个全局变量，所述全局变量的实现形式为数组、结构体或类等数据结构。

进一步的，本发明的物联网设备网络流量整形方法，步骤2具体包括如下步骤：

步骤2-1：构建常规数据长度集合S_L和常规数据时间间隔集合S_T，并均初始化为空；构建变量t_pre并初始化为0，t_pre表示前一个报文的发送时间；

步骤2-2：读取常规功能数据缓冲区中的数据，记录数据长度l_curr和当前时间t_curr，l_curr、t_curr均为整数，增加“数据类型”字段并赋值为0，封装数据，并向服务器发送封装后的数据；

步骤2-3：判断数据长度l_curr是否与常规数据长度集合S_L中已有的数据长度相同，若相同，则丢弃本次的数据长度l_curr，若不相同，则将数据长度l_curr存入常规数据长度集合S_L中；

步骤2-4：若t_pre＝0，则令t_pre＝t_curr；若t_pre≠0，则计算数据时间间隔Δt＝t_curr-t_pre，判断数据时间间隔Δt是否与常规数据时间间隔集合S_T中已有的数据时间间隔相同，若相同，则丢弃本次的数据时间间隔Δt，若不相同，则将数据时间间隔Δt存入常规数据时间间隔集合S_L中。

进一步的，本发明的物联网设备网络流量整形方法，步骤3具体包括如下步骤：

步骤3-1：从常规数据长度集合S_L中随机选取一个数据长度，记为L，从常规数据时间间隔集合S_T中随机选取一个数据时间间隔，记为T；

步骤3-2：读取用户相关数据缓冲区中的数据，所述数据长度为N，若N＞L，则读取该数据中长度为L的内容，增加“数据类型”字段并赋值为1，增加“结束状态”

字段并赋值为0，封装数据；若N≤L，则完整读取该数据，增加“数据类型”字段并赋值为1，增加“结束状态”字段并赋值为1，封装数据；

步骤3-3：等待时间T后向服务器发送封装后的数据；

步骤3-4：判断用户相关数据缓冲区中是否还有未读取的数据，若有，则转步骤3-2，否则结束。

进一步的，本发明的物联网设备网络流量整形方法，数据的封装形式为XML或JSON。

进一步的，本发明的物联网设备网络流量整形方法，步骤4具体包括如下步骤：

步骤5-1：服务器构建数据接收缓冲区C，C初始化为空；

步骤5-2：服务器接收物联网设备发送的数据；

步骤5-3：判断接收数据中的“数据类型”字段值，若“数据类型”字段值为0，则执行步骤5-4，若为1，则执行步骤5-5，否则，报错；

步骤5-4：读取数据内容，提交至正常业务程序，执行正常业务流程，转步骤5-2；

步骤5-5：读取数据内容，判断数据中的“结束状态”字段值，若“结束状态”字段值为0，则将读取的数据内容保存至数据接收缓冲区C中，转步骤5-2；若“结束状态”字段值为1，则将读取的数据内容保存至数据接收缓冲区C中，并将数据接收缓冲区C中的全部数据内容提交至正常业务程序，执行正常业务流程，并清空数据接收缓冲区C；否则，报错。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明利用物联网设备需连接服务器进行版本更新、心跳通信等特点，将用户相关数据进行分割和分批发送，并将其网络流量模拟成常见的物联网设备常规功能数据流量，避免了网络流量速率峰值的出现，实现平稳的网络流，迷惑网络攻击者使其无法从网络流量特征中识别出用户相关数据和具体的用户行为。同时无需增加任何填充数据，对网络带宽的额外消耗少，减少了对电量资源的影响，对物联网设备网络流量隐私保护具有重要实用价值。

附图说明

图1是本发明的物联网设备网络流量整形方法的核心流程图；

图2是原始的Sense睡眠监测器产生的网络流量速率分布图。

图3是采用本发明的物联网设备网络流量整形方法后的Sense睡眠监测器产生的网络流量速率分布图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

一种物联网设备网络流量整形方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：在物联网设备中构建常规功能数据缓冲区和用户相关数据缓冲区，分别用于接收物联网设备的常规功能所发送的数据和核心功能所发送的数据。

常规功能数据缓冲区和用户相关数据缓冲区分别为2个全局变量，所述全局变量的实现形式为数组、结构体或类等数据结构。常规功能所发送的数据为维持物联网设备正常运转所产生的网络通信数据，如物联网设备版本的更新查询、设备与服务器的心跳通信等，核心功能所发送的数据包括如反馈测量记录值、反馈指令执行结果等，这些均与用户隐私信息密切相关。

步骤2：读取常规功能数据缓冲区的数据，构建常规数据长度集合S_L和常规数据时间间隔集合S_T，分别用于存储常规数据的长度值和前后发送的数据之间的时间间隔，该间隔的单位可以为毫秒。具体包括如下步骤：

步骤2-1：构建常规数据长度集合S_L和常规数据时间间隔集合S_T，并均初始化为空；构建变量t_pre并初始化为0，t_pre表示前一个报文的发送时间；

步骤2-2：读取常规功能数据缓冲区中的数据，记录数据长度l_curr和当前时间t_curr，l_curr、t_curr均为整数，增加“数据类型”字段并赋值为0，封装数据，并向服务器发送封装后的数据；数据的封装形式为XML或JSON；

步骤2-3：判断数据长度l_curr是否与常规数据长度集合S_L中已有的数据长度相同，若相同，则丢弃本次的数据长度l_curr，若不相同，则将数据长度l_curr存入常规数据长度集合S_L中；

步骤2-4：若t_pre＝0，则令t_pre＝t_curr；若t_pre≠0，则计算数据时间间隔Δt＝t_curr-t_pre，判断数据时间间隔Δt是否与常规数据时间间隔集合S_T中已有的数据时间间隔相同，若相同，则丢弃本次的数据时间间隔Δt，若不相同，则将数据时间间隔Δt存入常规数据时间间隔集合S_L中。

步骤3：从常规数据长度集合S_L中随机选择一个值L作为数据发送长度，从常规数据时间间隔集合S_T中随机选择一个值T作为数据发送的时间间隔，读取用户相关数据缓冲区的数据，等待时间T后向服务器发送对应长度的数据，直至用户相关数据全部发送完毕。具体包括如下步骤：

步骤3-1：从常规数据长度集合S_L中随机选取一个数据长度，记为L，从常规数据时间间隔集合S_T中随机选取一个数据时间间隔，记为T；

步骤3-2：读取用户相关数据缓冲区中的数据，所述数据长度为N，若N＞L，则读取该数据中长度为L的内容，增加“数据类型”字段并赋值为1，增加“结束状态”字段并赋值为0，封装数据；若N≤L，则完整读取该数据，增加“数据类型”字段并赋值为1，增加“结束状态”字段并赋值为1，封装数据；数据的封装形式为XML或JSON；

步骤3-3：等待时间T后向服务器发送封装后的数据；

步骤3-4：判断用户相关数据缓冲区中是否还有未读取的数据，若有，则转步骤3-2，否则结束。

步骤4：判断物联网设备是否继续运行，若是，则转步骤2，否则，进入下一步。

步骤5：服务器接收物联网设备发送的数据：若“数据类型”字段值为0，则读取全部数据内容，执行正常业务流程，服务器继续接收数据；若“数据类型”字段值为1且“结束状态”字段值为0，则读取并保存全部数据内容，服务器继续接收数据；若“数据类型”字段值为1且“结束状态”字段值为1，则读取数据内容并合并之前已保存的数据，执行正常业务流程。执行正常业务流程指的是服务器根据接收到的数据执行预先设定的程序逻辑。如服务器根据接收到的数据内容为查询1周内的历史数据，则服务器就执行查询1周内的数据，然后返回给物联网设备。由于不同物联网设备的功能是不一样的，其具体的业务流程也是不一样的，此处用正常业务流程来表示。

具体包括如下步骤：

步骤5-1：服务器构建数据接收缓冲区C，C初始化为空；

步骤5-2：服务器接收物联网设备发送的数据；

步骤5-3：判断接收数据中的“数据类型”字段值，若“数据类型”字段值为0，则执行步骤5-4，若为1，则执行步骤5-5，否则，报错；

步骤5-4：读取数据内容，提交至正常业务程序，执行正常业务流程，转步骤5-2，服务器继续监听并等待物联网设备的数据；

步骤5-5：读取数据内容，判断数据中的“结束状态”字段值，若“结束状态”字段值为0，则将读取的数据内容保存至数据接收缓冲区C中，转步骤5-2；若“结束状态”字段值为1，则将读取的数据内容保存至数据接收缓冲区C中，并将数据接收缓冲区C中的全部数据内容提交至正常业务程序，执行正常业务流程，并清空数据接收缓冲区C；否则，报错。

与现有方法不同，本发明的方案无需增加任何填充报文，因而减少了对物联网设备网络带宽和电量资源的影响，本发明方案利用物联网设备连接服务器进行版本更新、心跳通信等特点，将用户相关数据模拟成常规功能数据进行分批发送，从而避免了网络流量速率峰值的出现，即网络黑客在网络层只能观察到平稳的网络流，因此无法推测出用户的具体行为。

实施例1

利用笔记本电脑和Ubuntu操作系统搭建WiFi热点，将Sense睡眠监测器连接至搭建的WiFi热点。在电脑上运行网络流量速率监控软件slurm，对Sense睡眠监测器的网络流量速率进行监控，监测时长为晚上20:00点至早晨8:00点，共12小时。同时，在电脑上运行tcpdump程序，对Sense睡眠监测器产生的网络进行抓包保存。对监测结果进行绘图，记录不同时刻的网络流量速率的值，结果如图2所示，在晚上22:00时分和早晨7:00时分出现网络流量速率峰值，结合日常生活经验，可以得知该用户在晚上22:00时分入睡，早晨7:00时分清醒起床。

使用本发明方法对Sense睡眠监测器网络流量进行整形，具体测试中，使用Scapy程序读取保存的网络数据包内容，并模拟Sense睡眠监测器进行报文发送。对于Sense睡眠监测器版本更新查询和心跳数据，直接发送。对于用户数据，即晚上22:00时分和早晨7:00时分的数据，使用本发明的方法进行分割延迟发送。使用本发明方法后的网络流量速率如图3所示，网络流量速率不再出现明显的峰值，因而网络黑客无法推断出用户何时入睡、何时起床等隐私敏感信息。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种物联网设备网络流量整形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在物联网设备中构建常规功能数据缓冲区和用户相关数据缓冲区，分别用于接收物联网设备的常规功能所发送的数据和核心功能所发送的数据；

步骤2：读取常规功能数据缓冲区的数据，构建常规数据长度集合S_L和常规数据时间间隔集合S_T，分别用于存储常规数据的长度值和前后发送的数据之间的时间间隔；

步骤3：从常规数据长度集合S_L中随机选择一个值L作为数据发送长度，从常规数据时间间隔集合S_T中随机选择一个值T作为数据发送的时间间隔，读取用户相关数据缓冲区的数据，等待时间T后向服务器发送对应长度的数据，直至用户相关数据全部发送完毕；

步骤4：判断物联网设备是否继续运行，若是，则转步骤2，否则，进入下一步；

步骤5：服务器接收物联网设备发送的数据：

若“数据类型”字段值为0，则读取全部数据内容，执行正常业务流程，服务器继续接收数据；

若“数据类型”字段值为1且“结束状态”字段值为0，则读取并保存全部数据内容，服务器继续接收数据；

若“数据类型”字段值为1且“结束状态”字段值为1，则读取数据内容并合并之前已保存的数据，执行正常业务流程。

2.根据权利要求1所述的物联网设备网络流量整形方法，其特征在于，步骤1中常规功能数据缓冲区和用户相关数据缓冲区分别为2个全局变量，所述全局变量的实现形式为数组、结构体或类。

3.根据权利要求1所述的物联网设备网络流量整形方法，其特征在于，步骤2具体包括如下步骤：

步骤2-1：构建常规数据长度集合S_L和常规数据时间间隔集合S_T，并均初始化为空；构建变量t_pre并初始化为0，t_pre表示前一个报文的发送时间；

步骤2-2：读取常规功能数据缓冲区中的数据，记录数据长度l_curr和当前时间t_curr，l_curr、t_curr均为整数，增加“数据类型”字段并赋值为0，封装数据，并向服务器发送封装后的数据；

步骤2-3：判断数据长度l_curr是否与常规数据长度集合S_L中已有的数据长度相同，若相同，则丢弃本次的数据长度l_curr，若不相同，则将数据长度l_curr存入常规数据长度集合S_L中；

步骤2-4：若t_pre＝0，则令t_pre＝t_curr；若t_pre≠0，则计算数据时间间隔Δt＝t_curr-t_pre，判断数据时间间隔Δt是否与常规数据时间间隔集合S_T中已有的数据时间间隔相同，若相同，则丢弃本次的数据时间间隔Δt，若不相同，则将数据时间间隔Δt存入常规数据时间间隔集合S_L中。

4.根据权利要求1所述的物联网设备网络流量整形方法，其特征在于，步骤3具体包括如下步骤：

步骤3-1：从常规数据长度集合S_L中随机选取一个数据长度，记为L，从常规数据时间间隔集合S_T中随机选取一个数据时间间隔，记为T；

步骤3-2：读取用户相关数据缓冲区中的数据，所述数据长度为N，若N＞L，则读取该数据中长度为L的内容，增加“数据类型”字段并赋值为1，增加“结束状态”字段并赋值为0，封装数据；若N≤L，则完整读取该数据，增加“数据类型”字段并赋值为1，增加“结束状态”字段并赋值为1，封装数据；

步骤3-3：等待时间T后向服务器发送封装后的数据；

步骤3-4：判断用户相关数据缓冲区中是否还有未读取的数据，若有，则转步骤3-2，否则结束。

5.根据权利要求3或4所述的物联网设备网络流量整形方法，其特征在于，数据的封装形式为XML或JSON。

6.根据权利要求1所述的物联网设备网络流量整形方法，其特征在于，步骤5具体包括如下步骤：

步骤5-1：服务器构建数据接收缓冲区C，C初始化为空；

步骤5-2：服务器接收物联网设备发送的数据；

步骤5-3：判断接收数据中的“数据类型”字段值，若“数据类型”字段值为0，则执行步骤5-4，若为1，则执行步骤5-5，否则，报错；

步骤5-4：读取数据内容，提交至正常业务程序，执行正常业务流程，转步骤5-2；

步骤5-5：读取数据内容，判断数据中的“结束状态”字段值，若“结束状态”字段值为0，则将读取的数据内容保存至数据接收缓冲区C中，转步骤5-2；若“结束状态”字段值为1，则将读取的数据内容保存至数据接收缓冲区C中，并将数据接收缓冲区C中的全部数据内容提交至正常业务程序，执行正常业务流程，并清空数据接收缓冲区C；否则，报错。

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