Smart Home Automation Guide 2017 - Part 1 - Echo Dot, SmartThings vs Wink Hub, Harmony, Hue, Nest

home8 物聯網智慧家庭好安心

來源：数智网

智慧家庭的保全監控肯定是個重要課題，當中的危機不單因為私人家居和人生活，都可以在互聯網上被駭客入侵，還有能源供應商或其它情報單位；用戶也擔心攻擊者會將他們的照明隨意開關，甚至乎會開啓他們的門戶，讓盜賊輕易進入。

保全一直是資訊科技的重要課題，不過，互聯網保全及資訊科技所應用的規則和技術，只有部分可被應用於智慧家庭的環境裡，因此值得我們對保全課題作出更全面的檢視。

保全及典型攻擊的一般介紹

在資訊科技行業，一般保全意指對以下三種可能攻擊的保護：

第三方對私人數據的獲取

第三方冒充被攻擊者的身份進行某些行為

用戶的資訊系統功能被廢除 – 一般稱為「拒絕服務」（Denial of Service）

在公共網路裡，比如互聯網，有兩個常用的方法去保護數據之交換：

數據加密（Encryption）

鑒權（Authentication）及授權（Authorization）

加密（Encryption）可防止數據被未獲授權之第三者解讀，而鑒權（Authentication）及授權（Authorization）確定未獲授權人士，不能夠獲得及使用他人之某些服務的身份或權力，比如銀行賬戶；這兩個機制，都是針對在公眾而沒有保護之互聯網裡，為敏感及私人數據的傳輸及應用而設。不過，私人的智慧家庭環境，並不完全符合這個設計概念。

加密（Encryption）及重播式攻擊（Replay－Attacks）

相較於資訊科技之個人數據傳輸數據包，智慧家庭或者物聯網中，用於控制與狀態報告之數據包，其實非常細小，而且數據包之內容亦被規範而標準化，可以隱藏的內容並不多。

對如此透明之數據加密，對處理可能之攻擊可以說是無補於事，駭客要瞭解數據包內容，無需花很多時間和力氣來解碼。

真正的威脅來自於，駭客捕獲數據包後，在另一個不適當之時刻，將數據包重發（replay），若攻擊者能重發並產生可見動作，如將燈開亮、或將門打開，這些都屬於騷擾或危險類的攻擊方法，在這類攻擊中，數據包有沒有加密其實也沒有關係。

捕獲一個數碼數據包，並之後將其再發送，這種攻擊稱為重播式攻擊（replay attack），數據加密是無法應對重播式攻擊的。

加密通訊驗證碼

讓智慧家庭免疫於重播式攻擊的唯一方法，是每一次傳送都運用一次性鑰匙，讓被捕獲的數據包變得無效，因為對指令授權之鑰匙，經發送者使用過、或鑰匙產生之一段時間後，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），和保護線上銀行交易之技術同出一撤，銀行業稱之為TAN（交易授權碼Transaction Authorization Number）。

使用TAN或一次性驗證碼，能有效地保護數據傳輸，免於重播式攻擊，但對於這類無線連接，其他種類的攻擊依然存在：

產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碼生成器（public TAN generator）可以相比擬。

一次性驗證碼被捕獲，並且沒有抵達接收者，攻擊者可以在等候超時（time－out）之內、冒充為獲授權之發送者、發送偽冒獲授權的數據包，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，稱為網路釣魚（phishing）。

使用一次性驗證碼並對數據包加密，是應對中間人攻擊的強力方法，再加上一重發送者的合法認證，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，都是隨機產生的，這樣確保了通訊的最佳保護，但亦因此必須要接收者產生一次性驗證碼，並回覆給發送者；若通訊有足夠加密，一次性驗證碼也可以與真實數據，經同一條途徑傳輸，而由於一次性驗證碼只可以被發送一次，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，當等候超時（time－out）過後，一次性驗證碼已經失效。

拒絕服務式攻擊（Denial－of－Service－Attack）

另外一個較出名之攻擊方法，為拒絕服務式攻擊，攻擊者之目標既不是進接私人數據，也不是冒充被攻擊者，而是令通訊無法實現。拒絕服務式攻擊是一種破壞式攻擊方法。

在無線通信領域，百分百免於拒絕服務式攻擊是不可能的，攻擊者隨時都可以利用一個寬頻發送器，干擾所有無線通信，這現象不單發生於智慧家庭中，動電話機及廣域網交通，亦面對性質一樣的問題。

在智慧家庭，有線通信方式一個優勢，是其更有效免於拒絕服務式攻擊，此論點是有力的，但並不完全，理由是行動電話及無線網路（WLAN）仍繼續採用，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：給行動電話及廣域網製造拒絕服務式攻擊一點不難，但對於攻擊者，也沒丁點趣味並得益不多。要產生一個公眾事件（如，將某條街的街燈全關掉）並不容易，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，有什麼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式攻擊，及中間人攻擊的先天性保護，是無線通訊於距離上的限制。Z-Wave領域裡有個別的例子，運用發射功率高達25毫瓦（mW），但一般數據發送都只在幾毫瓦之內，因此戶外無線距離都在一百米範圍內， Z-Wave在設計上運用路由功能，來平衡其短距離特性。

高的發射功率，無疑會令無線技術更易受到攻擊，若信號不會伸延得離家太遠，攻擊者便必須很接近住所才能發動攻擊。

最後一個無線網路之保權課題，但亦相當重要之考慮，是成本/效益比。例如亞洲駭客進接到一個歐洲家庭裡的洗衣機，獲得相關之能源消耗資料，對於大部分人來說，都覺得頗無意義，試問數千公裡外的駭客可以從數千公里遠的家庭得到什麼有型利益？

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，但一塊石頭總比複雜之電子技術，來的更便宜及更方便，更不用說擲石的知識，比裝備干擾的發送機之知識更易獲得。

另一個類似道理，一個有經驗的盜賊可以在數分鐘內，破壞最先進的機械門鎖，而攻擊者能運用電子技術，將門戶打開的風險，其實已經大大減輕了。

Z-Wave S2 保全技術

2016年初，Z-Wave 公佈了更先進的S2加密機制（有別於上一代S0保全機制）S2向下對原來S0加密機制相容，S2採用了Diffie-Hellman密鑰交換機制，免除了交換密鑰的風險。

S2除瞭解決了密鑰交換那一瞬間的暴露風險以外，還有一系列的改進：

不需要用輪詢（polling）去查詢設備狀態

為了減低節點之間通信頻次，提高網路容量，Z-Wave plus規格嚴格限制了輪詢的使用，S2提供Supervision 指令集去取代輪詢的功能，即控制器發出控制指令之後無需向目標節點（destination node）輪詢狀態；Supervision指令允許目標節點用一個報告同時提交目前跟未來的狀態，以減省通信的頻次。

舉一個例子，控制器發命令給門鎖把門鎖上，門鎖可以透過supervision指令，報告目前是「進行中」，3秒鐘之後會「完成」，所以控制器會在用戶介面上，顯示門鎖狀態為「正在工作」，而3秒後會轉變為「鎖上」

S2採用主動防護機制規避「重播式攻擊」

每一個發出的數據幀，都透過13byte動態驗證碼加密，讓截聽者無法預測資訊內容的模式（Patterns）

S2 支持3個保全層級

S2 Class 0 – 非鑒權（Unauthenticated）

這一級的保全度最低，廠家如果想降低成本，不提供DSK標籤可以用這這個層級。

另外那些不支持DSK鑒權功能的控制器，也要用這一層級。

S2 Class 1 – 鑒權（Authenticated）

所有帶DSK標籤的設備，應該通報為S2 Class 1，但門磁與類似的設備會有一些限制。

這些設備進行【添加】的時候需要輸入「設備指定密鑰」（Device Specific Key，簡稱DSK，一般是設備上的一個QR二維碼標貼）前面的5位數字

S2 Class 2 – 門禁控制（Access Control）

這是Z-Wave S2機制最高保全層級

門鎖應該只通報這一個層級，因為需要最高保全性能。

Z-Wave技術由於S2保全機制的實現，為目前唯一獲（美國）UL列入部件認可名單的自組網無線通信技術，換句話說，採用Z-Wave S2技術的產品，具備通過UL安控設備的條件（注1），從而得到保險公司的認可理賠資質。

S2於2017年4月1日成為Z-Wave聯盟對於新產品認證的強制性要求。

注1：

美國安控服務營運商與保險公司，通常會要求產品根據其自身功能，而需獲得額外相關UL認證，作為認可接入系統的要求，常見的有：

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

UL 639 （Standard for Intrusion－Detection Units）

關於Diffie－Hellman 密鑰交換機制

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

1．一開始A與B雙方會先交換公共密鑰（Kp），我們假設C一直在旁截聽，所以C也收到這個公共密鑰；公共密鑰包含了質數底數G（Generator）和質數模P（Prime Modulus）。然後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（modular arithmetic）生成一個余數Rx，再發給對方，故 A從B收到的資訊，是B透過公共密鑰Kp取得的底數G和質數模P，再以私人密鑰Kb作為G的指數（exponent）透過模算術求出mod P的餘數Rb；同樣B也從A那裡，收到A以相同方式算出來的餘數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是求餘算法。

假設G是3，P是17，Ka是10，Kb是6

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

3．最後一步，雙方把從對方獲得的餘數Rx作為底數G，以自己私人密鑰作為指數，再用模算術求餘，算出一個最終的餘數出來。雙方算出來的結果R會是一致的，就是雙方以後使用的密鑰。

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

兩者得出的餘數R皆是4，這就是雙方以後加密數據用的密鑰，而由於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。

模算術的優點是其單向性（one way function），G與P都是質數，沒法用算式把餘數與底數，反向求出指數Kx，只能一個一個去試（Trial and error），只要G和P的數值足夠大，要一個一個去試的時間會很長，例如達幾百位的10進數，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險。