鄧余婉祺，胡曦明,2，吳振強(qiáng),2，王 亮,2

（1.陜西師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119；2.現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710119）

0 引 言

隨著我國智能鎖技術(shù)從單機(jī)指令時(shí)代邁入物聯(lián)智能時(shí)代，智能鎖基于WiFi、NFC、NB-IoT等物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)“人-網(wǎng)-鎖”遠(yuǎn)程智能交互式鎖控的強(qiáng)大功能與良好體驗(yàn)不僅有力帶動(dòng)民用智能家居消費(fèi)井噴式增長，更是直接推動(dòng)電網(wǎng)直流換流站安防、光交箱管理、成品油配送管控、集裝箱監(jiān)管等電力、石化、物流、海關(guān)多行業(yè)多領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)化、智能化升級改造取得實(shí)效，并將在“十四五”期間成為保障性租賃住房安保與住戶管理、私家車位短租等未來現(xiàn)代化城市建設(shè)與新興共享經(jīng)濟(jì)變革不可或缺的“必需品”，從而擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

智能鎖是近年來物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品制造與市場應(yīng)用深度融合發(fā)展最成功的“明星”之一，但智能鎖在市場、產(chǎn)業(yè)中的“熱”與在院校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程教學(xué)中的“冷”形成鮮明對比，由于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)體系采用面向感知、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)分層架構(gòu)，已有的面向智能家居的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)通?；诼暪怆姷确蛛x式傳感單元與網(wǎng)絡(luò)器件構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)箱，缺乏引入智能鎖開展實(shí)訓(xùn)實(shí)操的方法與案例。從新工科改革的視角省視，物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)引入智能鎖不僅有利于加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈與人才培養(yǎng)鏈緊密結(jié)合，更是以產(chǎn)教融合有效促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)課程新工科建設(shè)落地、落實(shí)、落細(xì)的有效途徑。

1 智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全實(shí)驗(yàn)技術(shù)亟待研究

工作在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能鎖，其安全性與單機(jī)式電子鎖或傳統(tǒng)機(jī)械鎖最大的不同在于，其不僅包含鎖體自身的安全，還拓展至物聯(lián)網(wǎng)安全領(lǐng)域，智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全逐漸成為公眾關(guān)注的因素。

（1）智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全既是盲點(diǎn)也是熱點(diǎn)

面對近年來智能鎖的更新?lián)Q代，公安部于2019年3月1日發(fā)布公共安全行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)，GA374-2019《電子防盜鎖》強(qiáng)制規(guī)范相關(guān)技術(shù)要求和測試方法，與被替換的舊版GA374-2001相比，新版大幅增加了智能鎖在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的技術(shù)要求，但其中與物聯(lián)網(wǎng)安全相關(guān)的僅有“5.3.6信息上傳、5.3.9訪問控制”兩項(xiàng)，并且對信息上傳只做功能要求并未明確信息傳輸保密性、完整性等安全要求。新標(biāo)準(zhǔn)謹(jǐn)慎考量之下的保留，讓智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全既成為技術(shù)指標(biāo)盲點(diǎn)也成為研究熱點(diǎn)。對此，相關(guān)協(xié)會(huì)、廠商和研究機(jī)構(gòu)予以高度關(guān)注，例如：中國家用電器研究院提出從設(shè)備安全、功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全著手，構(gòu)建三位一體安全評價(jià)體系；物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)盟之一的ICA聯(lián)盟（IoT Connectivity Alliance）提出智能鎖信息安全系列規(guī)范并從身份認(rèn)證模塊安全技術(shù)和終端安全技術(shù)兩個(gè)維度設(shè)定參考安全標(biāo)準(zhǔn)。但是諸如此類第三方安全規(guī)范非國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，對于來自五金、家電、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等超2 000家智能鎖廠商的生產(chǎn)與質(zhì)檢能產(chǎn)生多大的實(shí)質(zhì)性作用不得而知。

（2）智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全實(shí)驗(yàn)技術(shù)是產(chǎn)學(xué)研協(xié)同抓手

事實(shí)上，通過文獻(xiàn)調(diào)查不難發(fā)現(xiàn)，近年來聚焦如何加強(qiáng)與改進(jìn)智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全提出的安全機(jī)制與技術(shù)方案不在少數(shù)，并且通過建模仿真或測試得知可有效應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)攻擊、惡意干擾和非法入侵等安全威脅。例如：中國北方電子設(shè)備研究所汪生提出基于AES數(shù)據(jù)加密的指紋識別NFC智能鎖并通過著色Petri網(wǎng)建模仿真驗(yàn)證安全可靠、天津大學(xué)金志剛以低功耗藍(lán)牙（BLE）為例的物聯(lián)網(wǎng)智能鎖通過對稱加密與證書驗(yàn)證有效解決了重放攻擊以及竊聽攻擊。但一方面是在研究層面上智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)革新進(jìn)展連連，另一方面卻是在市場層面上“3.15”和媒體持續(xù)曝出智能鎖存在安全隱患、市場監(jiān)管總局發(fā)布智能鎖安全消費(fèi)警示，最終消費(fèi)者購買的智能鎖是否存在物聯(lián)網(wǎng)安全漏洞成為每位智能鎖用戶的疑慮。在GA374-2019尚未對此明確要求的背景下，探索一種采用手機(jī)、電腦等由個(gè)人自主開展智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全初步檢測的自帶設(shè)備BYOD（Bring Your Own Device）實(shí)驗(yàn)技術(shù)而無需求助于專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)，不僅可以直接應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并由此將智能鎖引入院校人才培養(yǎng)體系，還有助于智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)發(fā)展，同時(shí)還可對生產(chǎn)廠商形成倒逼進(jìn)而有利于產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級。在當(dāng)前智能鎖產(chǎn)業(yè)、技術(shù)革新與專業(yè)人才培養(yǎng)迫切需要產(chǎn)學(xué)研協(xié)同的現(xiàn)狀下，智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全實(shí)驗(yàn)技術(shù)是重要抓手。

2 智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全BYOD實(shí)驗(yàn)技術(shù)

2.1 總體設(shè)計(jì)

基于個(gè)人筆記本電腦、手機(jī)等個(gè)人終端的智能鎖物聯(lián)網(wǎng)BYOD安全實(shí)驗(yàn)技術(shù)總體設(shè)計(jì)分為4個(gè)模塊：智能鎖模塊、用戶模塊、實(shí)驗(yàn)操作模塊和測量分析模塊，如圖1所示。

圖1 智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全BYOD實(shí)驗(yàn)技術(shù)總體設(shè)計(jì)

（1）智能鎖模塊

在公租房、私家車車位、小區(qū)停車場、集裝箱監(jiān)管、共享單車、學(xué)生宿舍、私人住宅等公共或私人場景下，管理人員或個(gè)人使用智能門鎖、便攜式智能掛鎖、智能車位鎖、智能抽屜鎖、共享單車鎖等智能鎖設(shè)備對人身財(cái)產(chǎn)安全進(jìn)行管理和保護(hù)。

（2）用戶模塊

管理員或個(gè)人用戶通過智能鎖對應(yīng)應(yīng)用軟件或小程序?qū)χ悄苕i進(jìn)行操作和管理。應(yīng)用軟件、小程序通過短距離無線通信技術(shù)與智能鎖進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，常見的智能鎖通信技術(shù)有BLE、NFC、WiFi等。

（3）實(shí)驗(yàn)操作模塊

通過升級系統(tǒng)、安裝軟件、外接硬件等操作，將手機(jī)或筆記本電腦等自帶設(shè)備打造成實(shí)驗(yàn)操作模塊，可與智能鎖進(jìn)行交互式的連接并發(fā)送特定虛假報(bào)文。

（4）測量分析模塊

使用手機(jī)或筆記本電腦等自帶設(shè)備對上述用戶使用智能鎖過程中產(chǎn)生的交互數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和收集，利用Wireshark、MX抓包模塊等可視化工具，對報(bào)文進(jìn)行可視化分析。報(bào)文交互與報(bào)文分析相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)安全性檢測。

2.2 工作過程

智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全BYOD實(shí)驗(yàn)技術(shù)工作過程：環(huán)境配置、實(shí)驗(yàn)接入、實(shí)驗(yàn)操作與安全性檢測，以BLE物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境為例，具體如圖2所示。

圖2 工作過程

（1）環(huán)境配置

在手機(jī)或筆記本電腦中配置檢測環(huán)境。nRF Connect主要用來掃描BLE智能鎖的基本信息，如MAC地址、設(shè)備綁定狀態(tài)和所有服務(wù)的UUID等。Android手機(jī)進(jìn)入開發(fā)者選項(xiàng)，開啟HCI日志后，手機(jī)自動(dòng)收集HCI日志并保存至btsnoop_hci.log文件。將該文件導(dǎo)入電腦后可通過Wireshark分析通信過程。也可以使用筆記本電腦，外接BLE嗅探硬件模塊并安裝可視化抓包工具，例如nRF52832 USB Dongle+Wireshark、CC2540 USB Dongle+Packet Sniffer，可以嗅探智能鎖物聯(lián)網(wǎng)BLE通信報(bào)文。

（2）實(shí)驗(yàn)接入

用戶模塊手機(jī)安裝智能鎖對應(yīng)APP或者使用小程序?qū)χ悄苕i設(shè)備進(jìn)行初始化設(shè)置，常見設(shè)置包括管理員添加、密碼設(shè)置、人員管理等，并實(shí)時(shí)記錄設(shè)置過程中的交互數(shù)據(jù)，然后用戶即可正常使用智能鎖，如控制開鎖、調(diào)節(jié)音量、查看電量等。

（3）實(shí)驗(yàn)操作

測量分析模塊對上述用戶使用智能鎖過程中產(chǎn)生的交互數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量并記錄，為安全性檢測提供基礎(chǔ)。首先，用戶正常使用智能鎖各項(xiàng)功能，該過程中測量分析模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)聽到智能鎖發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文，從而獲取其MAC地址等特征屬性，以鎖定目標(biāo)報(bào)文。用戶操作智能鎖的交互過程可被測量分析模塊實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地開展報(bào)文級分析；在此基礎(chǔ)上，針對身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密等所需開展的智能鎖安全檢測項(xiàng)目，用戶操作智能鎖，通過對單次、重復(fù)、定調(diào)等多種有計(jì)劃、有規(guī)律的操作過程與監(jiān)聽報(bào)文動(dòng)態(tài)變化量之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行篩選、比對、計(jì)算等，開展安全性相關(guān)指標(biāo)的定性與定量檢測。

（4）安全性檢測

安全性檢測需要對應(yīng)的檢測環(huán)境，例如在筆記本電腦上安裝kali Linux系統(tǒng)，更新藍(lán)牙協(xié)議棧BlueZ，使用HciTool和GattTool連接智能鎖并發(fā)送虛假報(bào)文。也可以在手機(jī)上安裝nRF Connect或BLE調(diào)試APP，對BLE設(shè)備進(jìn)行簡單的寫入操作。使用手機(jī)作為安全性檢測實(shí)驗(yàn)設(shè)備雖然便捷，但其穩(wěn)定性和可操作性遠(yuǎn)不如筆記本電腦，不適合需要快速、大量發(fā)送虛假報(bào)文的實(shí)驗(yàn)場景。

智能鎖安全性檢測具體包括身份認(rèn)證、保密性、不可抵賴性和完整性。

身份認(rèn)證：用戶端向智能鎖發(fā)起連接請求，智能鎖應(yīng)先確認(rèn)對方身份再通信。測量分析模塊測量“開鎖操作”報(bào)文并過濾出用戶端向智能鎖發(fā)送寫入數(shù)據(jù)，操作模塊將上述數(shù)據(jù)向智能鎖進(jìn)行重放，檢測智能鎖物聯(lián)網(wǎng)身份認(rèn)證安全性能。

保密性：在用戶與智能鎖的通信過程中，門鎖密碼、剩余電量等敏感數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行加密傳輸，防止不法分子獲取其真實(shí)內(nèi)容。將敏感數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)變量，通過用戶端更改，操作模塊多次重復(fù)發(fā)送虛假報(bào)文，測量分析模塊實(shí)時(shí)監(jiān)聽并收集通信報(bào)文。將上述測量到的報(bào)文數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)變量對照進(jìn)行篩選、比對、計(jì)算等深入分析，實(shí)現(xiàn)對智能鎖物聯(lián)網(wǎng)信息保密的安全性檢測。

不可抵賴性和完整性：用戶與智能鎖進(jìn)行通信時(shí)，應(yīng)攜帶特有的身份證明或?qū)ο⑦M(jìn)行數(shù)字簽名，防止攻擊者篡改報(bào)文內(nèi)容或事后否認(rèn)其非法行為。實(shí)驗(yàn)操作模塊向智能鎖發(fā)送篡改后的虛假報(bào)文，測量分析模塊監(jiān)控智能鎖實(shí)時(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能鎖物聯(lián)網(wǎng)信息完整性的安全檢測。

PIIE： 全球全要素生產(chǎn)率增速有望反彈。近日，美智庫彼得森國際經(jīng)濟(jì)研究所（PIIE）發(fā)文稱，1995—2007年，全球全要素生產(chǎn)率年增長率為1.4%；2007—2016年大幅下降至0.4%。隨著近期經(jīng)濟(jì)活動(dòng)不斷改善，全球全要素生產(chǎn)率增長率有望反彈。

3 智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以下是2個(gè)BLE智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全實(shí)驗(yàn)實(shí)例，一是通過截獲開鎖報(bào)文并進(jìn)行重放攻擊實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證安全性檢測；二是通過分析通信報(bào)文竊取明文密碼實(shí)現(xiàn)信息保密安全性檢測。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 身份認(rèn)證與信息保密安全性檢測實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在身份認(rèn)證安全性檢測實(shí)驗(yàn)中，由一臺(tái)筆記本電腦同時(shí)作為實(shí)驗(yàn)操作模塊和測量分析模塊，在信息保密安全性檢測實(shí)驗(yàn)中，由用戶手機(jī)承擔(dān)測量功能，由筆記本電腦配合進(jìn)行報(bào)文分析。

3.2 身份認(rèn)證

（1）環(huán)境與參數(shù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備分工和參數(shù)見表1所列。

表1 身份認(rèn)證安全性檢測實(shí)驗(yàn)設(shè)備分工和參數(shù)

MICOE ZNS-05智能門鎖有多種開鎖方式，使用藍(lán)牙解鎖方式時(shí)，用戶需觸摸按鍵將智能門鎖喚醒并在微信小程序上綁定門鎖，然后通過微信小程序進(jìn)行藍(lán)牙解鎖。用戶還可以在小程序上查看開鎖記錄、電量狀態(tài)、開門狀態(tài)等信息。

（2）操作與配置

身份認(rèn)證安全性檢測實(shí)驗(yàn)主要通過測量正常通信中的開鎖操作報(bào)文以及重放虛假報(bào)文等操作實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)驗(yàn)配置與操作見表2所列。

表2 身份認(rèn)證安全性檢測實(shí)驗(yàn)操作與配置

使用nRF52832 USB Dongle+Wireshark監(jiān)聽用戶與智能門鎖間的通信報(bào)文，使用MAC地址過濾收發(fā)端為智能門鎖的ATT數(shù)據(jù)包，找到手機(jī)向智能門鎖發(fā)送的寫命令（Write Command）。重放上述寫命令數(shù)據(jù)，觀察門鎖反應(yīng)，找到控制開鎖的寫命令值。圖4所示為正常通信和重放攻擊過程。

圖4 正常通信、重放攻擊過程

寫入開鎖命令后，門鎖被成功打開，實(shí)驗(yàn)可知MICOE ZNS-05智能門鎖無法抵御簡單的重放攻擊，其身份認(rèn)證安全性很差，容易遭受身份認(rèn)證攻擊的威脅。

3.3 信息保密

（1）環(huán)境與參數(shù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備分工和參數(shù)見表3所列。

表3 信息保密安全性檢測實(shí)驗(yàn)設(shè)備分工和參數(shù)

BOZZYS PL-M1L掛鎖有2種開鎖方法：按鍵密碼解鎖和藍(lán)牙解鎖。用戶使用藍(lán)牙解鎖時(shí)，需按壓鎖體喚醒鍵，在手機(jī)APP中輸入連接密碼并進(jìn)行解鎖操作。用戶通過APP設(shè)置按鍵密碼和連接密碼，還可以查看掛鎖剩余電量、設(shè)備名稱等信息。

（2）操作與配置

信息保密安全性檢測實(shí)驗(yàn)主要通過多次更改密碼、測量通信報(bào)文、將密碼與報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析等操作實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)驗(yàn)配置與操作見表4所列。

表4 信息保密安全性檢測實(shí)驗(yàn)操作與配置

（3）數(shù)據(jù)測量與可視化分析

首先在手機(jī)APP中將智能掛鎖連接密碼設(shè)置為“123456”，并進(jìn)行“連接-開鎖”操作。將上述過程中手機(jī)收集的HCI日志導(dǎo)入電腦，用Wireshark打開，使用MAC地址過濾收發(fā)端為智能掛鎖的ATT數(shù)據(jù)包，找到手機(jī)向智能掛鎖發(fā)送的寫命令，如圖5所示。APP先后向智能掛鎖中句柄值為0x004d的屬性寫入4個(gè)值。

圖5 “連接-開鎖”寫命令

在APP中反復(fù)更改連接密碼，獲取“連接-開鎖”操作報(bào)文并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)第一條報(bào)文中寫命令的值隨著連接密碼的改變而改變，且該密碼直接使用明文傳輸。包含明文密碼的報(bào)文如圖6所示。

圖6 包含明文密碼的報(bào)文

在手機(jī)和掛鎖的通信過程中，除連接密碼外，剩余電量、按鍵密碼等敏感信息也未進(jìn)行加密。實(shí)驗(yàn)可知，BOZZYS PL-M1L智能掛鎖信息保密安全性較差，不法分子可輕易竊取其敏感信息。

4 結(jié) 語

隨著智能鎖加速向電力、物流、海關(guān)、公租房等經(jīng)濟(jì)社會(huì)重點(diǎn)領(lǐng)域持續(xù)滲透，智能鎖的安全性不再僅僅局限于居家用戶的疑慮，而上升為事關(guān)國家公共安全的新要素。就安全性而言，智能鎖與傳統(tǒng)單機(jī)式電子鎖的最大不同在于前者新增了物聯(lián)網(wǎng)安全。對于這一新變化，行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)GA374-2019《電子防盜鎖》謹(jǐn)慎之下對相關(guān)安全技術(shù)強(qiáng)制性要求有所保留，這讓智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全既成為技術(shù)指標(biāo)盲點(diǎn)也成為研究熱點(diǎn)。

近年來，智能鎖在多行業(yè)多領(lǐng)域的應(yīng)用呈井噴式增長，如何及時(shí)將智能鎖引入課程教學(xué)，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)產(chǎn)教融合發(fā)展是當(dāng)前需要解決的問題。本文提出個(gè)人采用手機(jī)、電腦等自帶設(shè)備，自主開展智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全檢測的BYOD實(shí)驗(yàn)技術(shù)；在此基礎(chǔ)上，以市場上銷售的MICOE ZNS-05智能門鎖和BOZZYS PL-M1L智能掛鎖為實(shí)驗(yàn)對象，通過BYOD實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重放攻擊和密碼截獲實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，這兩款智能鎖在身份認(rèn)證與信息保密方面存在安全隱患，而BYOD實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于真實(shí)產(chǎn)品開展智能鎖物聯(lián)網(wǎng)安全檢測的實(shí)操實(shí)訓(xùn)，有效促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)面向新工科建設(shè)的教學(xué)改革取得實(shí)效。