智能家居的保安肯定是個重要課題，當(dāng)中的危機不單因為私人家居和人生活都可以在互聯(lián)網(wǎng)上被黑客入侵，還有能源供應(yīng)商或其它情報單位；用戶也擔(dān)心攻擊者會將他們的照明隨意開關(guān)，甚至乎會開啟他們的門戶，讓盜賊輕易進(jìn)入。

保安一直是資訊科技的重要課題，不過，互聯(lián)網(wǎng)保安及資訊科技所應(yīng)用的規(guī)則和技術(shù)，只有部分可被應(yīng)用于智能家居的環(huán)境里，因此值得我們對保安課題作出更全面的檢視。

保安及典型攻擊的一般介紹

在資訊科技行業(yè)，一般保安意指對以下三種可能攻擊的保護(hù)：

第三方對私人數(shù)據(jù)的獲取

第三方冒充被攻擊者的身份進(jìn)行某些行為

用戶的資訊系統(tǒng)功能被廢除 – 一般稱為“拒絕服務(wù)”（Denial of Service）

在公共網(wǎng)絡(luò)里，比如互聯(lián)網(wǎng)，有兩個常用的方法去保護(hù)數(shù)據(jù)之交換：

數(shù)據(jù)加密（Encryption）

鑒權(quán)（Authentication）及授權(quán)（Authorization）

加密（Encryption）可防止數(shù)據(jù)被未獲授權(quán)之第三者解讀，而鑒權(quán)（Authentication）及授權(quán)（Authorization）確定未獲授權(quán)人士，不能夠獲得及使用他人之某些服務(wù)的身份或權(quán)力，比如銀行賬戶；這兩個機制，都是針對在公眾而沒有保護(hù)之互聯(lián)網(wǎng)里，為敏感及私人數(shù)據(jù)的傳輸及應(yīng)用而設(shè)。不過，私人的智能家居環(huán)境并不完全符合這個設(shè)計概念。

加密（Encryption）及重播式攻擊（Replay－Attacks）

相較于資訊科技之個人數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)包，智能家居或者物聯(lián)網(wǎng)中用于控制與狀態(tài)報告之?dāng)?shù)據(jù)包其實非常細(xì)小，而且數(shù)據(jù)包之內(nèi)容亦被規(guī)范而標(biāo)準(zhǔn)化，可以隱藏的內(nèi)容并不多。

對如此透明之?dāng)?shù)據(jù)加密，對處理可能之攻擊可以說是無補于事，黑客要了解數(shù)據(jù)包內(nèi)容，無需花很多時間和力氣來解碼。

真正的威脅來自于，黑客捕獲數(shù)據(jù)包后在另一個不適當(dāng)之時刻將數(shù)據(jù)包重發(fā)（replay），若攻擊者能重發(fā)并產(chǎn)生可見動作，如將燈開亮、或?qū)㈤T打開，這些都屬于騷擾或危險類的攻擊方法，在這類攻擊中，數(shù)據(jù)包有沒有加密其實也沒有關(guān)系。

捕獲一個數(shù)碼數(shù)據(jù)包并之后將其再發(fā)送，這種攻擊稱為重播式攻擊（replay attack），數(shù)據(jù)加密是無法應(yīng)對重播式攻擊的。

加密通訊驗證碼

讓智能家居免疫于重播式攻擊的唯一方法，是每一次傳送都運用一次性鑰匙，讓被捕獲的數(shù)據(jù)包變得無效，因為對指令授權(quán)之鑰匙，經(jīng)發(fā)送者使用過、或鑰匙產(chǎn)生之一段時間后，已告失效。這個一次性密碼或交易鑰匙稱為一次性驗證碼（Nonce），和保護(hù)線上銀行交易之技術(shù)同出一撤，銀行業(yè)稱之為TAN（交易授權(quán)碼Transaction Authorization Number）。

使用TAN或一次性驗證碼能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸免于重播式攻擊，但對于這類無線連接，其他種類的攻擊依然存在：

產(chǎn)生一次性驗證碼的方式是已知的，因此攻擊者可隨時為攻擊產(chǎn)生一個新的一次性驗證碼，這個威脅，跟銀行交易中所使用的公共交易授權(quán)碼生成器（public TAN generator）可以相比疑。

一次性驗證碼被捕獲并且沒有抵達(dá)接收者，攻擊者可以在等候超時（time－out）之內(nèi)、冒充為獲授權(quán)之發(fā)送者、發(fā)送偽冒獲授權(quán)的數(shù)據(jù)包，這種攻擊也稱為中間人攻擊（MITM， Man－in－the－Middle Attack）。線上銀行交易也有很多這種攻擊，稱為網(wǎng)絡(luò)釣魚（phishing）。

使用一次性驗證碼并對數(shù)據(jù)包加密，是應(yīng)對中間人攻擊的強力方法，再加上一重發(fā)送者的合法認(rèn)證，因此PIN／TAN組合便成為線上銀行的實施方式。

最有效的做法是收發(fā)雙方的一次性驗證碼都不需要依賴對方，而每次的一次性驗證碼都是隨機產(chǎn)生的，這樣確保了通訊的最佳保護(hù)，但亦因此必須要接收者產(chǎn)生一次性驗證碼并回復(fù)給發(fā)送者；若通訊有足夠加密，一次性驗證碼也可以與真實數(shù)據(jù)經(jīng)同一條途徑傳輸，而由于一次性驗證碼只可以被發(fā)送一次，攻擊者根本沒有足夠時間作出重播式攻擊，而加密也無需十分強勁，已足夠延誤攻擊者，當(dāng)?shù)群虺瑫r（time－out）過后，一次性驗證碼已經(jīng)失效。

拒絕服務(wù)式攻擊（Denial－of－Service－Attack）

另外一個較出名之攻擊方法為拒絕服務(wù)式攻擊，攻擊者之目標(biāo)既不是進(jìn)接私人數(shù)據(jù)，也不是冒充被攻擊者，而是令通訊無法實現(xiàn)。拒絕服務(wù)式攻擊是一種破壞式攻擊方法。

在無線通信領(lǐng)域，百分百免于拒絕服務(wù)式攻擊是不可能的，攻擊者隨時都可以利用一個寬頻發(fā)送器干擾所有無線通信，這現(xiàn)象不單發(fā)生于智能家居中，動電話機及廣域網(wǎng)交通亦面對性質(zhì)一樣的問題。

在智能家居，有線通信方式一個優(yōu)勢是其更有效免于拒絕服務(wù)式攻擊，此論點是有力的，但并不完全，理由是移動電話及無線網(wǎng)絡(luò)（WLAN）仍繼續(xù)采用相對脆弱的無線通信方式。

個中之原因也和這種技巧一樣簡單：給移動電話及廣域網(wǎng)制造拒絕服務(wù)式攻擊一點不難，但對于攻擊者，也沒丁點趣味并得益不多。要產(chǎn)生一個公眾事件（如，將某條街的街燈全關(guān)掉）并不容易，而入侵一個家庭也不見得有巨大之有型得益，事實上，有更多比無線干擾更簡單、更低成本、更好的方法去騷擾他人，試想一下，有什么比在冷天擲石敲破人家的玻璃窗更有影響。

無線安全性的其它方面

另一個可算是對拒絕服務(wù)式攻擊及中間人攻擊的先天性保護(hù)，是無線通訊于距離上的限制。Z－Wave領(lǐng)域里有個別的例子運用發(fā)射功率高達(dá)25毫瓦（mW），但一般數(shù)據(jù)發(fā)送都只在幾毫瓦之內(nèi)，因此戶外無線距離都在一百米范圍內(nèi)， Z－Wave在設(shè)計上運用路由功能來平衡其短距離特性。高的發(fā)射功率無疑會令無線技術(shù)更易受到攻擊，若信號不會伸延得離家太遠(yuǎn)，攻擊者便必須很接近住所才能發(fā)動攻擊。

最后一個無線網(wǎng)絡(luò)之保安課題，但亦相當(dāng)重要之考慮是成本／效益比。例如亞洲黑客進(jìn)接到一個歐洲家庭里的洗衣機，獲得相關(guān)之能源消耗資料，對于大部分人來說，都覺得頗無意義，試問數(shù)千公里外的黑客可以從數(shù)千公里遠(yuǎn)的家庭得到什么有型利益？他寧可花精力去入侵受害者之銀行戶口，更為有利；能夠近距離接近一個住所固然讓攻擊者有更多選擇去搞破壞，但一塊石頭總比復(fù)雜之電子技術(shù)，來的更便宜及更方便，更不用說擲石的知識比裝備干擾的發(fā)送機之知識更易獲得。

另一個類似道理，一個有經(jīng)驗的盜賊可以在數(shù)分鐘內(nèi)破壞最先進(jìn)的機械門鎖，而攻擊者能運用電子技術(shù)將門戶打開的風(fēng)險，其實已經(jīng)大大減輕了。

Z－Wave S2 保安技術(shù)

2016年初，Z－Wave 公布了更先進(jìn)的S2加密機制（有別于上一代S0保安機制）S2向下對原來S0加密機制兼容，S2采用了Diffie－Hellman密鑰交換機制，免除了交換密鑰的風(fēng)險。

S2除了解決了密鑰交換那一瞬間的暴露風(fēng)險以外，還有一系列的改進(jìn)：

不需要用輪詢（polling）去查詢設(shè)備狀態(tài)

為了減低節(jié)點之間通信頻次，提高網(wǎng)絡(luò)容量，Z－Wave plus規(guī)格嚴(yán)格限制了輪詢的使用，S2提供Supervision 指令集去取代輪詢的功能，即控制器發(fā)出控制指令之后無需向目標(biāo)節(jié)點（destination node）輪詢狀態(tài)；Supervision指令允許目標(biāo)節(jié)點用一個報告同時提交目前跟未來的狀態(tài)，以減省通信的頻次。舉一個例子，控制器發(fā)命令給門鎖把門鎖上，門鎖可以通過supervision指令報告目前是“進(jìn)行中”，3秒鐘之后會“完成”，所以控制器會在用戶界面上顯示門鎖狀態(tài)為“正在工作”，而3秒后會轉(zhuǎn)變?yōu)椤版i上”

S2采用主動防護(hù)機制規(guī)避“重播式攻擊”

每一個發(fā)出的數(shù)據(jù)幀都通過13byte動態(tài)驗證碼加密，讓截聽者無法預(yù)測信息內(nèi)容的模式（Patterns）

S2 支持3個保安層級

S2 Class 0 – 非鑒權(quán)（Unauthenticated）

這一級的保安度最低，廠家如果想降低成本不提供DSK標(biāo)簽可以用這這個層級。

另外那些不支持DSK鑒權(quán)功能的控制器也要用這一層級。

S2 Class 1 – 鑒權(quán) （Authenticated）

所有帶DSK標(biāo)簽的設(shè)備應(yīng)該通報為S2 Class 1，但門磁與類似的設(shè)備會有一些限制。

這些設(shè)備進(jìn)行【添加】的時候需要輸入“設(shè)備指定密鑰”（Device Specific Key，簡稱DSK，一般是設(shè)備上的一個QR二維碼標(biāo)貼）前面的5位數(shù)字

S2 Class 2 – 門禁控制（Access Control）

這是Z－Wave S2機制最高保安層級

門鎖應(yīng)該只通報這一個層級，因為需要最高保安性能。

Z－Wave技術(shù)由于S2保安機制的實現(xiàn)，為目前唯一獲（美國）UL列入部件認(rèn)可名單的自組網(wǎng)無線通信技術(shù)，換句話說，采用Z－Wave S2技術(shù)的產(chǎn)品具備通過UL安防設(shè)備的條件（注1），從而得到保險公司的認(rèn)可理賠資質(zhì)。

S2于2017年4月1日成為Z－Wave 聯(lián)盟對于新產(chǎn)品認(rèn)證的強制性要求。

注1：

美國安防服務(wù)運營商與保險公司通常會要求產(chǎn)品根據(jù)其自身功能而需獲得額外相關(guān)UL認(rèn)證作為認(rèn)可接入系統(tǒng)的要求，常見的有：

UL 634 （Standard for Connectors and Switches for Use with Burglar－Alarm Systems）

UL 639 （Standard for Intrusion－Detection Units）

閱讀延伸：

關(guān)于Diffie－Hellman 密鑰交換機制

Diffie－Hellman 密鑰交換機制是采用公共密鑰（Public key） 與私人密鑰（Private key）去實現(xiàn)：

1．一開始A與B雙方會先交換公共密鑰（Kp），我們假設(shè)C一直在旁截聽，所以C也收到這個公共密鑰；公共密鑰包含了質(zhì)數(shù)底數(shù)G（Generator）和質(zhì)數(shù)模P（Prime Modulus）。然后A與B他們自己各自會生成一個私人的隨機密鑰（分別為Ka 和Kb） ，這個私人密鑰不會告知對方，因此C沒法截聽而得知；

2．A和B會把自己的私人密鑰Kx和收到的公共密鑰匙（含G和P）作模算術(shù)（modular arithmetic）生成一個余數(shù)Rx，再發(fā)給對方，故 A從B收到的信息是B通過公共密鑰Kp取得的底數(shù)G和質(zhì)數(shù)模P，再以私人密鑰Kb作為G的指數(shù)（exponent）通過模算術(shù)求出mod P的余數(shù)Rb；同樣B也從A那里收到A以相同方式算出來的余數(shù)Ra；

算式是： GKx mod P ＝ Rx， x是a或b

Kx是雙方自己隨機生成的私人密鑰（Private Key）， mod是求余算法。

假設(shè)G是3，P是17，Ka是10，Kb是6

那么A的算式是：310 mod 17 ＝ 8（Ra）；B的算式是：36 mod 17 ＝ 15（Rb）

3．最后一步，雙方把從對方獲得的余數(shù)Rx作為底數(shù)G，以自己私人密鑰作為指數(shù)再用模算術(shù)求余算出一個最終的余數(shù)出來。雙方算出來的結(jié)果R會是一致的，就是雙方以后使用的密鑰。

算式是： RxKx mod P ＝ R

因此A的算式是： 1510 mod 17 ＝ 4 ；B的算式是： 86 mod 17 ＝ 4

兩者得出的余數(shù)R皆是4，這就是雙方以后加密數(shù)據(jù)用的密鑰，而由于Ka和Kb從來沒有在空氣中交換過，所以C無法得悉（C只截聽到G、P、Ra、Rb），因而無法算出R。

模算術(shù)的優(yōu)點是其單向性（one way function），G與P都是質(zhì)數(shù)，沒法用算式把余數(shù)與底數(shù)反向求出指數(shù)Kx，只能一個一個去試（Trial and error），只要G和P的數(shù)值足夠大，要一個一個去試的時間會很長，例如達(dá)幾百位的10進(jìn)數(shù)，用目前最快的超級電腦去試的話都需要幾十年以上。這就堵塞了交換密鑰的保安風(fēng)險。