隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，Zigbee作為一種低功耗、短距離的無線通信技術(shù)，在智能家居、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Zigbee 3.0作為最新標(biāo)準(zhǔn)，不僅提升了網(wǎng)絡(luò)的兼容性和互操作性，還在安全性方面做出了顯著增強(qiáng)，特別是分布式密鑰管理和防重放攻擊機(jī)制。本文將深入探討Zigbee 3.0網(wǎng)絡(luò)中的分布式密鑰管理與防重放攻擊技術(shù)，并附帶相關(guān)代碼示例。

Zigbee 3.0網(wǎng)絡(luò)中的分布式密鑰管理

Zigbee 3.0支持兩種密鑰管理模型：集中式安全模型和分布式安全模型。在分布式安全模型中，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)路由器都充當(dāng)信任中心（Trust Center）的角色，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)密鑰（Network Key）的分發(fā)和管理。這種模型提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性，特別適用于大規(guī)模、分布式部署的Zigbee網(wǎng)絡(luò)。

在分布式密鑰管理中，新設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以從任何一個(gè)路由器父節(jié)點(diǎn)獲取網(wǎng)絡(luò)密鑰。為了確保密鑰傳輸?shù)陌踩?，通常使用預(yù)配置的全局鏈接密鑰（Link Key）對(duì)網(wǎng)絡(luò)密鑰進(jìn)行加密。這樣，即使密鑰在傳輸過程中被截獲，攻擊者也無法直接獲取網(wǎng)絡(luò)密鑰。

防重放攻擊機(jī)制

重放攻擊是一種常見的網(wǎng)絡(luò)攻擊方式，攻擊者通過重發(fā)之前截獲的合法數(shù)據(jù)包，試圖欺騙接收方執(zhí)行未授權(quán)的操作。Zigbee 3.0通過在網(wǎng)絡(luò)層安全標(biāo)頭中添加幀計(jì)數(shù)器（Frame Counter）字段，有效防止了重放攻擊。

幀計(jì)數(shù)器是一個(gè)32位的遞增計(jì)數(shù)器，每發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，其值就會(huì)增加1。接收方在接收到數(shù)據(jù)包后，會(huì)檢查幀計(jì)數(shù)器的值是否大于之前接收到的來自同一節(jié)點(diǎn)的幀計(jì)數(shù)器的值。如果幀計(jì)數(shù)器的值沒有遞增，或者小于之前接收到的值，接收方就會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)重放攻擊，并丟棄該數(shù)據(jù)包。

此外，為了防止幀計(jì)數(shù)器溢出（由于32位計(jì)數(shù)器的限制），Zigbee 3.0還引入了密鑰序列號(hào)（Key Sequence Number）字段，以支持網(wǎng)絡(luò)密鑰的更新。當(dāng)幀計(jì)數(shù)器接近溢出時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以通過更新網(wǎng)絡(luò)密鑰來重置幀計(jì)數(shù)器，從而避免重放攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。

代碼示例

以下是一個(gè)簡(jiǎn)化的Zigbee 3.0網(wǎng)絡(luò)加密與防重放攻擊的偽代碼示例，用于說明基本概念和工作流程：

c

// 假設(shè)已經(jīng)定義了必要的Zigbee數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如NetworkKey、LinkKey等

// 加密函數(shù)，使用AES-128對(duì)稱加密算法

void encrypt(uint8_t* plaintext, uint8_t* key, uint8_t* ciphertext) {

   // 實(shí)際的AES加密實(shí)現(xiàn)

}

// 解密函數(shù)，使用AES-128對(duì)稱加密算法

void decrypt(uint8_t* ciphertext, uint8_t* key, uint8_t* plaintext) {

   // 實(shí)際的AES解密實(shí)現(xiàn)

}

// 檢查幀計(jì)數(shù)器是否合法

bool isValidFrameCounter(uint32_t currentCounter, uint32_t previousCounter) {

   return currentCounter > previousCounter;

}

// 發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)

void sendPacket(uint8_t* data, uint32_t frameCounter, uint8_t* networkKey, uint8_t* linkKey, uint8_t* destination) {

   // 加密數(shù)據(jù)

   uint8_t encryptedData[MAX_PACKET_SIZE];

   encrypt(data, networkKey, encryptedData);

   // 構(gòu)建安全標(biāo)頭，包括幀計(jì)數(shù)器和密鑰序列號(hào)

   SecurityHeader securityHeader;

   securityHeader.frameCounter = frameCounter;

   securityHeader.keySequenceNumber = currentKeySequenceNumber;

   // 使用鏈接密鑰加密安全標(biāo)頭和加密數(shù)據(jù)

   uint8_t encryptedPacket[MAX_PACKET_SIZE + SECURITY_HEADER_SIZE];

   encrypt((uint8_t*)&securityHeader, linkKey, encryptedPacket);

   memcpy(encryptedPacket + SECURITY_HEADER_SIZE, encryptedData, MAX_PACKET_SIZE);

   // 發(fā)送加密后的數(shù)據(jù)包到目的地

   sendToDestination(encryptedPacket, destination);

}

// 接收數(shù)據(jù)包函數(shù)

void receivePacket(uint8_t* receivedPacket, uint8_t* linkKey, uint8_t* networkKey, uint32_t* previousCounter) {

   // 解密安全標(biāo)頭

   SecurityHeader securityHeader;

   decrypt(receivedPacket, linkKey, (uint8_t*)&securityHeader);

   // 檢查幀計(jì)數(shù)器是否合法

   if (!isValidFrameCounter(securityHeader.frameCounter, *previousCounter)) {

       // 丟棄重放攻擊的數(shù)據(jù)包

       return;

   }

   // 更新幀計(jì)數(shù)器

   *previousCounter = securityHeader.frameCounter;

   // 解密數(shù)據(jù)

   uint8_t decryptedData[MAX_PACKET_SIZE];

   decrypt(receivedPacket + SECURITY_HEADER_SIZE, networkKey, decryptedData);

   // 處理解密后的數(shù)據(jù)

   processData(decryptedData);

}

結(jié)論

Zigbee 3.0通過引入分布式密鑰管理和防重放攻擊機(jī)制，顯著提升了網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。分布式密鑰管理使得網(wǎng)絡(luò)更加靈活和可擴(kuò)展，而防重放攻擊機(jī)制則有效防止了攻擊者通過重發(fā)合法數(shù)據(jù)包來欺騙接收方。通過結(jié)合這些安全技術(shù)，Zigbee 3.0為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了更加安全、可靠的通信保障。