CN114362931A - 一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法 - Google Patents
一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，包括以下步骤：设备注册，安全认证，安全连接，指令交互；该物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法设计合理，能够实现一套物联网设备管理系统，能够支持对百万数量级的不同行业应用的物联网设备进行统一管理，包括查看、配置、实时信息交互以及数据统计分析，要求安全性高，能够满足国家相关安全等级认证，并发性好，能够支持百万数量级的设备容量，十万级设备同时在线，可靠性高，在出现故障时尽可能保证系统的可运行可恢复。
Description
技术领域
本发明属于物联网通信安全技术领域，特别涉及一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法。
背景技术
目前物联网设备连接通信协议主流的有REST/HTTP(松耦合服务调用)REST即表述性状态传递，是基于HTTP协议开发的一种通信风格；CoAP(Constrained ApplicationProtocol)，受限应用协议，应用于无线传感网中协议；MQTT(Message Queuing TelemetryTransport)，消息队列遥测传输，由IBM开发的即时通讯协议，相比来说比较适合物联网场景的通讯协议；其他基于socket的自定义协议。而整个物联网设备平台间连接的系统具体实现机制没有统一的标准。
在"万物智连"的趋势下，移动互联网及物联网安全引发的安全风险也越来越被人们关注，海量设备接入网络，使得网络结构更加复杂，针对设备和网络的安全攻击更加广泛，攻击手段更加多样化。目前为了保障物联网设备接入的安全性需要考虑接入设备和管理云平台的双向安全认证；同时保证通信的不可窃取和篡改伪造；以及支持对不同类型设备的通信通道分开管控。
互联网上有很多开放的物联网云平台，提供了方便的设备接入和业务接入，但是无法满足安全性需求和业务定制化需求，为此，本发明提出一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，该物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法设计合理，能够实现一套物联网设备管理系统，能够支持对百万数量级的不同行业应用的物联网设备进行统一管理，包括查看、配置、实时信息交互以及数据统计分析，要求安全性高，能够满足国家相关安全等级认证，并发性好，能够支持百万数量级的设备容量，十万级设备同时在线，可靠性高，在出现故障时尽可能保证系统的可运行可恢复。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，具体步骤如下：
步骤一：设备注册；在设备生产前预先分配设备唯一编号DID，并与设备MAC和设备SN提前导入管理云平台，同时设备和云平台通过相同算法生成设备的独立秘钥，分别存储在设备安全芯片和云平台的秘钥管理系统中，具体步骤如下：
①：物联网安全注册管理方法，处于开放环境的物联网设备接入管理云平台，设备管理中心将设备信息提前录入物联网云平台，在物联网云平台的安全区域进行数据持久化，作为后面设备认证和管理的数据来源；
②：按照平台统一命名规范预先分配设备唯一编号DID，并与设备MAC和设备SN，并使用算法生成设备独立秘钥K0，形成统一的物联网设备注册信息映射表，作为设备对象的管理清单；
③：设备平台间安全连接、通信使用的TLS证书预制到平台和设备固件中；
④：设备将算法硬编码到设备固件中，并将此代码进行混淆处理；
⑤：完成以上安全信息注册后，并完成设备生产烧制，实现设备在平台的安全注册；
步骤二：安全认证；设备默认只开放与云平台认证服务器之间的通信网络，设备通电联网后，向认证服务器发送认证请求，认证服务器通过设备唯一编号DID、设备MAC、设备SN、随机数R0及由设备安全芯片生成的认证请求字符串解密获取的信息与云平台上存储的设备信息状态进行认证，如果认证通过，认证服务器向设备发送云平台MQTT服务地址、平随机数R1，并打开设备应用的网络，同时平台将更新设备通信连接密码，具体步骤如下：
①：设备初次开机后，即会通过TCP协议向平台认证服务器发起认证请求；
②：设备产生4位随机数R0；
③：将设备主要信息调用安全芯片加密接口，对此信息使用存储于安全芯片中的设备独立秘钥K0进行加密计算得到设备认证信息，然后设备将设备DID与加密后的设备认证信息通过TCP协议发送给认证服务器；
④：平台获取设备的认证请求后，通过设备DID从设备信息表获取设备MAC、设备SN，同时通过密钥管理系统获取设备独立密钥K0；
⑤：平台使用算法及设备独立密钥K0对设备认证信息进行解密；
⑥：平台比对设备信息表里的设备MAC、设备SN与从认证信息里解密算法获取的设备MAC、设备SN；
步骤三：安全连接；设备通过TLS安全通道向云平台MQTT服务器发起连接请求，建立安全连接，具体步骤如下：
①：平台通过认证后，生成四位随机数R1，将设备本地IP，设备型号，设备版本，随机数R0，随机数R1更新到设备信息表；
②：平台通过认证后，在mqtt通信连接服务器上注册设备连接账号，DID为用户名，使用算法将设备DID+设备SN+随机数R0+随机数R1计算得到的字符串更新密码；
③：平台通过认证后，将分配给设备的MQTT服务器地址IP端口、随机数R1回复给设备；
步骤四：指令交互；设备和平台使用MQTT协议通信，并在MQTT协议的payload报文中使用protobuf编码，同时对涉及敏感字段进行单独加密，保证通信内容只有知道报文定义者才能解析获取，具体步骤如下：
①：设备使用算法将设备DID+设备SN+随机数R0+随机数R1计算得到密码，并使用设备DID作为账号，连接MQTT服务器，建立起基于TLS的MQTT安全连接；
②：如果设备未连接成功或连接断开，需要重新向认证服务器发起认证请求，然后才能建立新的MQTT连接；
③：设备与平台通信采用protobuf OVER MQTT方案；
④：设备使用MQTT消息发布/订阅传输协议与平台进行通信；
⑤：为了保证通信安全，设备使用预知的证书使用TLS进行MQTT的安全连接；
⑥：在MQTT通信报文的payload中使用protobuf编码，对业务数据进行序列化；
⑦：对于业务报文中的敏感字段，设备和平台在发送前就进行单独加密。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤四的⑦中，只有在业务使用处才进行解密。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤一的④中，对代码进行混淆处理目的在于避免泄露。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤一的②中，物联网设备注册信息映射表同时录入平台密钥管理系统和提交硬件生产厂家在设备生产时烧入。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤一的①中，需要保证物联网设备的正确性和唯一性。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤四的⑥中，只有预先约定好protobuf编码定义的平台侧才能解析业务数据。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤二中的③中，主要信息为设备MAC、设备SN、本地IP、设备型号、设备版本和随机数R0。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤三中，对于业务报文中的敏感字段，设备和平台在发送前就进行单独加密，只有在业务使用处才进行解密。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤四的②中，设备未连接成功或连接断开后将恢复初始状态。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤二中设备初始只开启与平台认证服务器的网络访问，禁止其他网络访问。
本发明的有益效果：此物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法能够实现一套物联网设备管理系统，能够支持对百万数量级的不同行业应用的物联网设备进行统一管理，包括查看、配置、实时信息交互以及数据统计分析，要求安全性高，能够满足国家相关安全等级认证，并发性好，能够支持百万数量级的设备容量，十万级设备同时在线，可靠性高，在出现故障时尽可能保证系统的可运行可恢。
附图说明
图1本发明方法流程图；
图2本发明的安全认证及连接交互流程示意图；
图3本发明在设备平台交互通信采用的MQTT报文格式；
图4本发明在设备平台交互通信中采用的protobuf格式定义样例。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
请参阅图1至图4，本发明提供一种技术方案：一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，具体步骤如下：
步骤一：设备注册；在设备生产前预先分配设备唯一编号DID，并与设备MAC和设备SN提前导入管理云平台，同时设备和云平台通过相同算法生成设备的独立秘钥，分别存储在设备安全芯片和云平台的秘钥管理系统中，具体步骤如下：
①：物联网安全注册管理方法，处于开放环境的物联网设备接入管理云平台，设备管理中心将设备信息提前录入物联网云平台，在物联网云平台的安全区域进行数据持久化，作为后面设备认证和管理的数据来源；
②：按照平台统一命名规范预先分配设备唯一编号DID，并与设备MAC和设备SN，并使用算法生成设备独立秘钥K0，形成统一的物联网设备注册信息映射表，作为设备对象的管理清单；
③：设备平台间安全连接、通信使用的TLS证书预制到平台和设备固件中；
④：设备将算法硬编码到设备固件中，并将此代码进行混淆处理；
⑤：完成以上安全信息注册后，并完成设备生产烧制，实现设备在平台的安全注册；
步骤二：安全认证；设备默认只开放与云平台认证服务器之间的通信网络，设备通电联网后，向认证服务器发送认证请求，认证服务器通过设备唯一编号DID、设备MAC、设备SN、随机数R0及由设备安全芯片生成的认证请求字符串解密获取的信息与云平台上存储的设备信息状态进行认证，如果认证通过，认证服务器向设备发送云平台MQTT服务地址、平随机数R1，并打开设备应用的网络，同时平台将更新设备通信连接密码，具体步骤如下：
①：设备初次开机后，即会通过TCP协议向平台认证服务器发起认证请求；
②：设备产生4位随机数R0；
③：将设备主要信息调用安全芯片加密接口，对此信息使用存储于安全芯片中的设备独立秘钥K0进行加密计算得到设备认证信息，然后设备将设备DID与加密后的设备认证信息通过TCP协议发送给认证服务器；
④：平台获取设备的认证请求后，通过设备DID从设备信息表获取设备MAC、设备SN，同时通过密钥管理系统获取设备独立密钥K0；
⑤：平台使用算法及设备独立密钥K0对设备认证信息进行解密；
⑥：平台比对设备信息表里的设备MAC、设备SN与从认证信息里解密算法获取的设备MAC、设备SN；
步骤三：安全连接；设备通过TLS安全通道向云平台MQTT服务器发起连接请求，建立安全连接，具体步骤如下：
①：平台通过认证后，生成四位随机数R1，将设备本地IP，设备型号，设备版本，随机数R0，随机数R1更新到设备信息表；
②：平台通过认证后，在mqtt通信连接服务器上注册设备连接账号，DID为用户名，使用算法将设备DID+设备SN+随机数R0+随机数R1计算得到的字符串更新密码；
③：平台通过认证后，将分配给设备的MQTT服务器地址IP端口、随机数R1回复给设备；
步骤四：指令交互；设备和平台使用MQTT协议通信，并在MQTT协议的payload报文中使用protobuf编码，同时对涉及敏感字段进行单独加密，保证通信内容只有知道报文定义者才能解析获取，具体步骤如下：
①：设备使用算法将设备DID+设备SN+随机数R0+随机数R1计算得到密码，并使用设备DID作为账号，连接MQTT服务器，建立起基于TLS的MQTT安全连接；
②：如果设备未连接成功或连接断开，需要重新向认证服务器发起认证请求，然后才能建立新的MQTT连接；
③：设备与平台通信采用protobuf OVER MQTT方案；
④：设备使用MQTT消息发布/订阅传输协议与平台进行通信；
⑤：为了保证通信安全，设备使用预知的证书使用TLS进行MQTT的安全连接；
⑥：在MQTT通信报文的payload中使用protobuf编码，对业务数据进行序列化；
⑦：对于业务报文中的敏感字段，设备和平台在发送前就进行单独加密。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤四的⑦中，只有在业务使用处才进行解密。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤一的④中，对代码进行混淆处理目的在于避免泄露。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤一的②中，物联网设备注册信息映射表同时录入平台密钥管理系统和提交硬件生产厂家在设备生产时烧入。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤一的①中，需要保证物联网设备的正确性和唯一性。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤四的⑥中，只有预先约定好protobuf编码定义的平台侧才能解析业务数据。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤二中的③中，主要信息为设备MAC、设备SN、本地IP、设备型号、设备版本和随机数R0。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤三中，对于业务报文中的敏感字段，设备和平台在发送前就进行单独加密，只有在业务使用处才进行解密。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤四的②中，设备未连接成功或连接断开后将恢复初始状态。
作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤二中设备初始只开启与平台认证服务器的网络访问，禁止其他网络访问。
作为本发明的一种优选实施方式，此物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法能够实现一套物联网设备管理系统，能够支持对百万数量级的不同行业应用的物联网设备进行统一管理，包括查看、配置、实时信息交互以及数据统计分析，要求安全性高，能够满足国家相关安全等级认证，并发性好，能够支持百万数量级的设备容量，十万级设备同时在线，可靠性高，在出现故障时尽可能保证系统的可运行可恢。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：设备注册；在设备生产前预先分配设备唯一编号DID，并与设备MAC和设备SN提前导入管理云平台，同时设备和云平台通过相同算法生成设备的独立秘钥，分别存储在设备安全芯片和云平台的秘钥管理系统中，具体步骤如下：
①：物联网安全注册管理方法，处于开放环境的物联网设备接入管理云平台，设备管理中心将设备信息提前录入物联网云平台，在物联网云平台的安全区域进行数据持久化，作为后面设备认证和管理的数据来源；
②：按照平台统一命名规范预先分配设备唯一编号DID，并与设备MAC和设备SN，并使用算法生成设备独立秘钥K0，形成统一的物联网设备注册信息映射表，作为设备对象的管理清单；
③：设备平台间安全连接、通信使用的TLS证书预制到平台和设备固件中；
④：设备将算法硬编码到设备固件中，并将此代码进行混淆处理；
⑤：完成以上安全信息注册后，并完成设备生产烧制，实现设备在平台的安全注册；
步骤二：安全认证；设备默认只开放与云平台认证服务器之间的通信网络，设备通电联网后，向认证服务器发送认证请求，认证服务器通过设备唯一编号DID、设备MAC、设备SN、随机数R0及由设备安全芯片生成的认证请求字符串解密获取的信息与云平台上存储的设备信息状态进行认证，如果认证通过，认证服务器向设备发送云平台MQTT服务地址、平随机数R1，并打开设备应用的网络，同时平台将更新设备通信连接密码，具体步骤如下：
①：设备初次开机后，即会通过TCP协议向平台认证服务器发起认证请求；
②：设备产生4位随机数R0；
③：将设备主要信息调用安全芯片加密接口，对此信息使用存储于安全芯片中的设备独立秘钥K0进行加密计算得到设备认证信息，然后设备将设备DID与加密后的设备认证信息通过TCP协议发送给认证服务器；
④：平台获取设备的认证请求后，通过设备DID从设备信息表获取设备MAC、设备SN，同时通过密钥管理系统获取设备独立密钥K0；
⑤：平台使用算法及设备独立密钥K0对设备认证信息进行解密；
⑥：平台比对设备信息表里的设备MAC、设备SN与从认证信息里解密算法获取的设备MAC、设备SN；
步骤三：安全连接；设备通过TLS安全通道向云平台MQTT服务器发起连接请求，建立安全连接，具体步骤如下：
①：平台通过认证后，生成四位随机数R1，将设备本地IP，设备型号，设备版本，随机数R0，随机数R1更新到设备信息表；
②：平台通过认证后，在mqtt通信连接服务器上注册设备连接账号，DID为用户名，使用算法将设备DID+设备SN+随机数R0+随机数R1计算得到的字符串更新密码；
③：平台通过认证后，将分配给设备的MQTT服务器地址IP端口、随机数R1回复给设备；
步骤四：指令交互；设备和平台使用MQTT协议通信，并在MQTT协议的payload报文中使用protobuf编码，同时对涉及敏感字段进行单独加密，保证通信内容只有知道报文定义者才能解析获取，具体步骤如下：
①：设备使用算法将设备DID+设备SN+随机数R0+随机数R1计算得到密码，并使用设备DID作为账号，连接MQTT服务器，建立起基于TLS的MQTT安全连接；
②：如果设备未连接成功或连接断开，需要重新向认证服务器发起认证请求，然后才能建立新的MQTT连接；
③：设备与平台通信采用protobuf OVER MQTT方案；
④：设备使用MQTT消息发布/订阅传输协议与平台进行通信；
⑤：为了保证通信安全，设备使用预知的证书使用TLS进行MQTT的安全连接；
⑥：在MQTT通信报文的payload中使用protobuf编码，对业务数据进行序列化；
⑦：对于业务报文中的敏感字段，设备和平台在发送前就进行单独加密。
2.根据权利要求1所述的一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，其特征在于：所述步骤四的⑦中，只有在业务使用处才进行解密。
3.根据权利要求1所述的一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，其特征在于：步骤一的④中，对代码进行混淆处理目的在于避免泄露。
4.根据权利要求1所述的一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，其特征在于：步骤一的②中，物联网设备注册信息映射表同时录入平台密钥管理系统和提交硬件生产厂家在设备生产时烧入。
5.根据权利要求1所述的一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，其特征在于：所述步骤一的①中，需要保证物联网设备的正确性和唯一性。
6.根据权利要求1所述的一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，其特征在于：所述步骤四的⑥中，只有预先约定好protobuf编码定义的平台侧才能解析业务数据。
7.根据权利要求1所述的一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，其特征在于：所述步骤二中的③中，主要信息为设备MAC、设备SN、本地IP、设备型号、设备版本和随机数R0。
8.根据权利要求1所述的一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，其特征在于：所述步骤三中，对于业务报文中的敏感字段，设备和平台在发送前就进行单独加密，只有在业务使用处才进行解密。
9.根据权利要求1所述的一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，其特征在于：步骤四的②中，设备未连接成功或连接断开后将恢复初始状态。
10.根据权利要求1所述的一种物联网设备注册和安全认证连接及指令交互方法，其特征在于：所述步骤二中设备初始只开启与平台认证服务器的网络访问，禁止其他网络访问。
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