CN210839642U - 一种物联网终端数据安全接收、发送的装置 - Google Patents
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Abstract
一种物联网终端数据安全接收、发送的装置，其硬件结构包括处理器系统架构组分、安全功能组分、网络接口组分；所述的处理器系统架构组分由ARM处理器、DDR内存、FLASH组成，所述的DDR内存和FLASH与ARM处理器连接；所述的安全功能组分包括2片WNG4、1片安全芯片和1个TF卡，所述的WNG4、安全芯片和TF卡分别与ARM处理器连接；所述的网络接口组分为两路网络接口的具体物理实现结构，所述的网络接口组分的两端分别与所述ARM处理器和外部网络/内部网络连接。本实用新型终端系统能够忽略网络数据应用层的千变万化，在数据传输层对数据进行加解密，并保证数据的完整性、不可抵赖性；同时具备访问控制功能，提高终端设备的抗攻击能力，保证数据和设备的安全。
Description
技术领域
本实用新型涉及信息安全技术领域，尤其是涉及一种物联网终端数据安全接收、发送的装置。
背景技术
随着网络技术的广泛应用，小到一家企业、一栋大楼，大到一座城市，都部署了大量的网络终端，包括视频监控摄像机、视频会议系统、物联网数据采集系统等。这些系统在数据传输时，大都采用明文传输，传输数据很容易被窃取；并且一般缺少安全有效的防护手段，缺少对弱口令、系统漏洞、web漏攻等攻击手段的有效防范措施。特别在视频监控系统中，存在摄像机、监控视频被非法替换或篡改等的风险。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种物联网终端数据安全接收、发送的装置，以解决现有的物联网数据传输安全性差、抗攻击能力弱的问题。
本实用新型解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种物联网终端数据安全接收、发送的装置，其硬件结构包括三个结构组分：处理器系统架构组分、安全功能组分、网络接口组分；所述的处理器系统架构组分由ARM处理器、DDR内存、FLASH组成，所述的DDR内存和FLASH与ARM处理器连接；所述的安全功能组分包括2片WNG4、1片安全芯片和1个TF卡，所述的WNG4、安全芯片和TF卡分别与ARM处理器连接；所述的网络接口组分为两路网络接口的具体物理实现结构，所述的网络接口组分的两端分别与所述ARM处理器和外部网络/内部网络连接。
进一步地，所述的ARM处理器为i.MX6处理器；所述的DDR内存优选DDR3颗粒，512MB；所述的FLASH为NAND FLASH，256MB。
进一步地，所述的安全芯片为SSX1702安全芯片，与ARM处理器连接实现系统对国密算法SM2/SM3/SM4的调用；所述的TF卡通过SD卡座与ARM处理器连接，所述的TF卡选用国密局认证的TF卡形态的智能密码钥匙。
进一步地，所述SSX1702安全芯片为宏思SSX1702安全芯片。
进一步地，所述的物联网终端数据安全接收、发送的装置，其在软件功能上包括网络协议处理模块、访问控制模块和数据加解密模块，所述的网络协议处理模块，负责对网络协议的解析和重构；所述访问控制模块实现对通过安全终端的流量进行控制，系统自身流量和已经允许的业务流量，可以通过物联网终端，未经允许的非法流量、未知流量，无法通过安全终端；所述的数据加解密模块，负责对通过终端的业务数据进行加解密并作完整性鉴别，如果完整性鉴别未通过，则丢弃该数据包；另外，所述的系统还包括日志管理模块和秘钥管理模块。
所述的日志管理模块和协议解析模块由硬件结构的ARM处理器部分完成，所述的密钥管理模块、数据加解密模块和访问控制模块由安全芯片和系统协同完成。
所述的访问控制模块的工作方式为：物联网终端联入网络中首先登录服务端的安全网关，登录双向验证后进行密钥协商；
所述协议处理模块完成协议的解析和重构功能；所述加解密模块完成业务数据的加解密和完整性鉴别功能，业务数据加密封装格式采用ESP协议格式，并采用ESP的隧道模式。
进一步地，所述的访问控制模块控制物联网终端登录服务端的安全网关，其身份认证过程为：
TokenAB=Ra||Rb||sSa(Ra||Rb)
TokenBA=Rb||Ra||sSb(Rb||Ra)
（1）发起方B产生随机数Rb，将Rb发送给应答方A；
（2）应答方A产生随机数Ra，并对Ra||Rb进行签名，组成TokenAB，将TokenAB发送给发起方B；
（3）发起方B从信任列表白名单中获得应答方A的签名公钥；
（4）发起方B验证TokenAB中的签名信息，组成TokenBA，将TokenBA发送给应答方A；
（5）应答方A从信任列表白名单中获得发起方B的签名公钥；
（6）应答方A验证TokenBA中的签名信息。
进一步地，所述的访问控制模块控制物联网终端进行密钥协商的流程为：
（1）发起方B生成随机数R作为会话密钥；
（2）发起方B从信任列表白名单中获得应答方A的加密公钥；
（3）发起方B使用应答方A的加密公钥加密随机数R，并将密文值发送给应答方A；
（4）应答方使用加密私钥进行解密获得随机数R。
进一步地，所述的ESP头部格式：
（1）安全参数索引SPI（32位）：它与目的IP地址和安全协议共同标识了这个数据报文的安全联盟，用来标识发送方在处理IP数据包时使用了哪些安全策略，当接收方解析这个字段后就知道如何处理收到的包；
（2）序列号（32位）：一个单调递增的计数器，为每个包赋予一个序号，当通信双方建立安全联盟（SA）时，初始化为0，SA是单向的，每发送/接收一个包，外出/进入SA的计数器增1，该字段可用于抗重放攻击；
（3）载荷数据：是变长的字段，他包含初始化向量IV和下一个头字段所描述的数据，其长度单位为字节，IV位于载荷数据的首部；
（4）填充数据：如果载荷数据的长度不是加密算法的分组长度的整数倍，则需要对不足的部分进行填充，填充以字节为单位；
（5）填充长度：以字节为单位指示填充项长度，范围为[0，255]，保证加密数据的长度适应分组加密算法的长度，其中0表示没有填充字节；
（6）下一个头：表示紧跟在ESP头部后面的协议，该字段是处于保护中的传输层协议的值；
（7）鉴别数据：是变长字段，它是一个完整性校验值ICV，是对ESP报文去掉ICV外的其余部分进行完整性校验计算所得的值，只有选择了验证服务时才需要有该字段，其长度由选择的完整性校验算法决定。
进一步地，所述的ESP头的位置：
使用ESP的隧道模式，ESP保护包括原内部IP头在内的整个原IP报文；
（1）出站报文处理
出站报文的处理包括查找SA、封装、加密报文、产生序列号、计算完整性校验值和分片等过程，并按照以下顺序进行处理：
（1.1）查找SA：根据本地策略查找SA，只有当一个IPSec实现确定了报文与该SA相关联后，ESP才应用于一个出站报文，否则应开始新的密钥交换过程，建立SA；
（1.2）封装：在隧道模式中，将整个原值IP数据报文封装到ESP载荷字段中；
（1.3）加密报文：首先对报文添加所有需要的填充，然后使用由SA指定的密钥、加密算法、算法模式和IV进行加密，加密范围包括载荷数据、填充、填充长度和下一个头；
（1.4）产生序列号：当建立一个SA时，发送方的徐磊好计数器初始化为0，没发送一个报文之前，该计数器加1，并且把这计数器插入到序列号字段中，当该计数器达到最大值前，应生成新的SA；
（1.5）计算完整性校验值：发送方在除去鉴别数据字段的ESP报文上计算ICV，将计算后得到的值赋予鉴别数据字段；
（1.6）分片：一个IPSec实现在ESP处理之后，如果发现IP数据报文长度超过输出接口的MTU值，则对处理后的数据报文进行分片；
（2）入站报文处理
入站报文的处理包括重组、查找SA、验证序列号、验证完整性校验值、解密报文和重构等过程，并按照以下顺序进行处理：
（1）重组：如果需要，在ESP处理之前要进行IP数据报文重组，ESP不处理分片报文，如果提供给ESP处理的一个报文是分片的IP数据报文，接收方应丢弃该报文；
（2）查找SA：当接收到一个包含ESP头的报文时，接收方应根据目的IP地址、ESP和SPI来查找SA，查找失败则丢弃该报文；
（3）验证序列号：对于每个接收到的报文，接收方应确认报文包含一个序列号，并且该序列号在这个SA生命周期中不重复任何已接收的其他报文的序列号，否则应丢弃该报文；
（4）验证完整性校验值：接收方采用指定的完整性校验算法对报文计算ICV，计算的结果与报文中的ICV值进行比较，如果一致，则接受到的数据报文是有效的，否则接收方应将接收到的数据报文丢弃；
（5）解密报文：使用SA指定的密钥、加密算法、算法模式和IV，对接收报文的加密部分进行解密，根据解密后的报文中的填充长度和填充数据进行判断是否解密成功，如解密失败则丢弃该报文；
（6）重构：对解密成功的报文，重构原始IP数据报文。
进一步地，所述的物联网终端数据安全接收、发送的装置还包括密钥管理模块，所述的密钥管理模块保证密钥的安全：
1）物联网终端的签名私钥和加密私钥存储在安全芯片中，只在安全芯片中参与运算，不能导出；
2）物联网终端的工作密钥由加密密钥与通信方的加密密钥协商生成，不以明文形式出现在通信链路中。
进一步地，所述的物联网终端数据安全接收、发送的装置还包括日志管理模块，所述的日志管理模块记录物联网终端的日常操作，用于安全审计：
1）安全终端同步输出详细的操作管理日志信息，提供完整的审计信息；
2）支持系统管理员操作日志记录的审计，以及用户访问存取日志记录的审计。
与现有技术相比，本实用新型具备的有益效果为：
本实用新型中提供的数据安全传输终端，能够忽略网络数据应用层的千变万化，在数据传输层对数据进行加解密，并保证数据的完整性、不可抵赖性；同时具备访问控制功能，提高终端设备的抗攻击能力，保证数据和设备的安全。
附图说明
图1为物联网终端数据安全接收、发送的装置硬件结构示意图；
图2为物联网终端数据安全接收、发送的装置软件功能框图；
图3为物联网终端数据安全接收、发送的装置典型应用网络拓扑图；
图4为物联网终端数据安全接收、发送的装置的身份认证示意图；
图5为物联网终端数据安全接收、发送的装置的ESP头部格式图；
图6为物联网终端数据安全接收、发送的装置的ESP隧道模式图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
本实用新型提供了一种物联网终端数据安全接收、发送的装置，其硬件结构示意图如图1所示，软件功能框图如图2所示，典型应用网络拓扑如图3所示。
所述物联网终端即安全终端硬件结构按功能分为三大部分：处理器系统架构部分，安全功能部分，网络接口部分。处理器系统架构部分由ARM处理器、DDR内存、FLASH组成，实现本装置的各种基本功能和调度，所述ARM处理器优选为i.MX6处理器，所述的DDR内存优选DDR3颗粒512MB，FLASH优选NAND FLASH 256MB。安全功能部分包括2片WNG4,1片SSX1702安全芯片，1个TF卡，所述WNG4实现密码运算所需随机数的生成，SSX1702安全芯片实现系统对国密算法SM2/SM3/SM4的调用，TF卡选用国密局认证的TF卡形态的智能密码钥匙，完成系统管理员的身份认证，所述SSX1702安全芯片为宏思SSX1702安全芯片；网络接口部分主要为2路网络接口的具体物理实现结构。
所述安全终端包括网络协议处理模块、访问控制模块和数据加解密模块，所述的网络协议处理模块，负责对网络协议的解析和重构；所述访问控制模块实现对通过安全终端的流量进行控制，系统自身流量和已经允许的业务流量，可以通过安全终端；未经允许的非法流量、未知流量，无法通过安全终端；所述数据加解密模块，负责对通过终端的业务数据进行加解密并作完整性鉴别，如果完整性鉴别未通过，则丢弃该数据包。
具体的见图3，物联网终端即物联网安全终端，串接在临近终端设备的网络中，能够对终端设备的传输数据进行加密，并保护终端设备不受非法攻击的侵害，亦能防止终端设备被非法替换。
物联网安全终端工作方式：
安全终端联入网络中首先登录服务端的安全网关，按国密局制订的设备间身份认证流程遵循国标GBT 15843.3-2016《信息技术安全技术实体鉴别第3部分：采用数字签名技术的机制》中5.3.3章节所定义的方法。详细过程如下：（见图4）
TokenAB=Ra||Rb||sSa(Ra||Rb)
TokenBA=Rb||Ra||sSb(Rb||Ra)
1)发起方B产生随机数Rb，将Rb发送给应答方A；
2)应答方A产生随机数Ra，并对Ra||Rb进行签名，组成TokenAB，将TokenAB发送给发起方B；
3)发起方B从信任列表白名单中获得应答方A的签名公钥；
4)发起方B验证TokenAB中的签名信息，组成TokenBA，将TokenBA发送给应答方A；
5)应答方A从信任列表白名单中获得发起方B的签名公钥；
6)应答方A验证TokenBA中的签名信息。
登录双向验证后进行密钥协商，密钥协商遵循GMT 0018《密码设备应用接口规范》中相关函数进行会话密钥的生成与传递。其流程如下：
1）发起方B生成随机数R作为会话密钥；
2）发起方B从信任列表白名单中获得应答方A的加密公钥；
3）发起方B使用应答方A的加密公钥加密随机数R，并将密文值发送给应答方A；
4）应答方使用加密私钥进行解密获得随机数R。
以上功能都由访问控制模块完成。
网络协议处理模块完成协议的解析和重构功能；加解密模块完成业务数据的加解密和完整性鉴别等功能，业务数据加密封装格式采用ESP（封装安全载荷）协议格式，并采用ESP的隧道模式，ESP提供了机密性、数据源鉴别、数据的完整性、抗重放攻击服务等保护功能，其密码分组模式采用CBC模式。
1.ESP头部格式见图5
(1)安全参数索引SPI（32位）：它与目的IP地址和安全协议共同标识了这个数据报文的安全联盟。用来标识发送方在处理IP数据包时使用了哪些安全策略，当接收方看到这个字段后就知道如何处理收到的包；
(2)序列号（32位）：一个单调递增的计数器，为每个包赋予一个序号。当通信双方建立安全联盟（SA）时，初始化为0。SA是单向的，每发送/接收一个包，外出/进入SA的计数器增1。该字段可用于抗重放攻击；
(3)载荷数据：是变长的字段，他包含初始化向量IV和下一个头字段所描述的数据，其长度单位为字节。IV位于载荷数据的首部；
(4)填充数据：如果载荷数据的长度不是加密算法的分组长度的整数倍，则需要对不足的部分进行填充，填充以字节为单位；
(5)填充长度：以字节为单位指示填充项长度，范围为[0，255]。保证加密数据的长度适应分组加密算法的长度。其中0表示没有填充字节；
(6)下一个头：表示紧跟在ESP头部后面的协议，该字段是处于保护中的传输层协议的值，如6（TCP），17（UDP）或50（ESP）；
(7)鉴别数据：是变长字段，它是一个完整性校验值ICV，是对ESP报文去掉ICV外的其余部分进行完整性校验计算所得的值。只有选择了验证服务时才需要有该字段。其长度由选择的完整性校验算法决定。
2.ESP头的位置
ESP隧道模式见图6
使用ESP的隧道模式，ESP保护包括原内部IP头在内的整个原IP报文，图6所示，图中，“数据”包含“载荷数据”和“填充”；“ESP尾”包含“填充长度”和“下一个头”字段。
1)出站报文处理
出站报文的处理包括查找SA、封装、加密报文、产生序列号、计算完整性校验值和分片等过程，并按照以下顺序进行处理；
(1)查找SA：根据本地策略查找SA，只有当一个IPSec实现确定了报文与该SA相关联后，ESP才应用于一个出站报文。否则应开始新的密钥交换过程，建立SA；
(2)封装：在隧道模式中，将整个原值IP数据报文封装到ESP载荷字段中；
(3)加密报文：首先对报文添加所有需要的填充，然后使用由SA指定的密钥、加密算法、算法模式和IV进行加密，加密范围包括载荷数据、填充、填充长度和下一个头；
(4) 产生序列号：当建立一个SA时，发送方的徐磊好计数器初始化为0，没发送一个报文之前，该计数器加1，并且把这计数器插入到序列号字段中。当该计数器达到最大值前，应生成新的SA；
(5) 计算完整性校验值：发送方在除去鉴别数据字段的ESP报文上计算ICV。将计算后得到的值赋予鉴别数据字段；
(6)分片：一个IPSec实现在ESP处理之后，如果发现IP数据报文长度超过输出接口的MTU值，则对处理后的数据报文进行分片。
2)入站报文处理
入站报文的处理包括重组、查找SA、验证序列号、验证完整性校验值、解密报文和重构等过程，并按照以下顺序进行处理。
(1)重组：如果需要，在ESP处理之前要进行IP数据报文重组。ESP不处理分片报文，如果提供给ESP处理的一个报文是分片的IP数据报文，接收方应丢弃该报文；
(2) 查找SA：当接收到一个包含ESP头的报文时，接收方应根据目的IP地址、ESP和SPI来查找SA，查找失败则丢弃该报文；
(3)验证序列号：对于每个接收到的报文，接收方应确认报文包含一个序列号，并且该序列号在这个SA生命周期中不重复任何已接收的其他报文的序列号，否则应丢弃该报文；
(4)验证完整性校验值：接收方采用指定的完整性校验算法对报文计算ICV，计算的结果与报文中的ICV值进行比较。如果一致，则接受到的数据报文是有效的，否则接收方应将接收到的数据报文丢弃；
(5)解密报文：使用SA指定的密钥、加密算法、算法模式和IV，对接收报文的加密部分进行解密。根据解密后的报文中的填充长度和填充数据进行判断是否解密成功。如解密失败则丢弃该报文；
(6)重构：对解密成功的报文，重构原始IP数据报文。
所述的物联网终端数据安全接收、发送的装置还包括密钥管理模块，所述的密钥管理模块保证密钥的安全：
1）物联网终端的签名私钥和加密私钥存储在安全芯片中，只在安全芯片中参与运算，不能导出；
2）物联网终端的工作密钥由加密密钥与通信方的加密密钥协商生成，不以明文形式出现在通信链路中。
所述的物联网终端数据安全接收、发送的装置还包括日志管理模块，所述日志管理模块记录安全终端的日常操作，主要用于安全审计：
1）安全终端同步输出详细的操作管理日志信息，提供完整的审计信息；
2）支持系统管理员操作日志记录的审计，以及用户访问存取日志记录的审计。
所述的日志管理模块和协议解析模块由图1的系统ARM处理器部分完成，所述的密钥管理模块，数据加解密模块和访问控制模块由安全芯片和系统协同完成。
上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (4)
1.一种物联网终端数据安全接收、发送的装置，其特征在于：其硬件结构包括三个结构组分：处理器系统架构组分、安全功能组分、网络接口组分；所述的处理器系统架构组分由ARM处理器、DDR内存、FLASH组成，所述的DDR内存和FLASH与ARM处理器连接；所述的安全功能组分包括2片WNG4、1片安全芯片和1个TF卡，所述的WNG4、安全芯片和TF卡分别与ARM处理器连接；所述的网络接口组分为两路网络接口的具体物理实现结构，所述的网络接口组分的两端分别与所述ARM处理器和外部网络/内部网络连接。
2.根据权利要求1所述的一种物联网终端数据安全接收、发送的装置，其特征在于：所述的ARM处理器为i.MX6处理器；所述的DDR内存为DDR3颗粒，512MB；所述的FLASH为NANDFLASH，256MB。
3.根据权利要求1所述的一种物联网终端数据安全接收、发送的装置，其特征在于：所述的安全芯片为SSX1702安全芯片，与ARM处理器连接实现系统对国密算法SM2/SM3/SM4的调用；所述的TF卡通过SD卡座与ARM处理器连接，所述的TF卡选用国密局认证的TF卡形态的智能密码钥匙。
4.根据权利要求3所述的一种物联网终端数据安全接收、发送的装置，其特征在于：所述SSX1702安全芯片为宏思SSX1702安全芯片。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020207143.0U CN210839642U (zh) | 2020-02-25 | 2020-02-25 | 一种物联网终端数据安全接收、发送的装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202020207143.0U CN210839642U (zh) | 2020-02-25 | 2020-02-25 | 一种物联网终端数据安全接收、发送的装置 |
Publications (1)
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| CN202020207143.0U Active CN210839642U (zh) | 2020-02-25 | 2020-02-25 | 一种物联网终端数据安全接收、发送的装置 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN112260839A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-01-22 | 河北素数信息安全有限公司 | 一种基于嵌入式技术的微型传输加密装置及其启动方法 |
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2020
- 2020-02-25 CN CN202020207143.0U patent/CN210839642U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112260839A (zh) * | 2020-10-20 | 2021-01-22 | 河北素数信息安全有限公司 | 一种基于嵌入式技术的微型传输加密装置及其启动方法 |
| CN112260839B (zh) * | 2020-10-20 | 2022-11-22 | 河北素数信息安全有限公司 | 一种基于嵌入式技术的微型传输加密装置及其启动方法 |
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