羅永劍
（廣東原創科技有限公司，廣東 惠州 516003）
0 引 言
隨著物聯網和5G 通信技術的快速發展，如何保障這一新興領域中的數據安全成為一個重要的研究課題。物聯網設備的廣泛部署和5G 網絡的高速特性帶來前所未有的挑戰，尤其是在確保數據傳輸過程中的安全性方面。文章的研究背景聚焦于物聯網在5G 環境下的安全問題，特別是如何通過端到端加密策略來保護數據免受未授權訪問和攻擊。
1 物聯網與5G 通信技術的發展概述
物聯網的概念起源于20 世紀末，指通過先進的信息技術將各種信息傳感設備與網絡結合，實現物與物、物與人之間智能化的信息交換和通信。隨著傳感器技術、無線通信和互聯網的快速發展，物聯網技術得到極大的推廣[1]。目前，全球物聯網市場規模迅速擴張，根據國際數據公司（International Data Corporation，IDC）的報告，預計到2025 年，全球物聯網支出將超過1.1 萬億美元。物聯網的應用領域極為廣泛，從智能家居、智慧農業到工業自動化、智能城市建設等，物聯網技術正逐步滲透到人們生活的各個方面。
5G 通信技術則是物聯網技術發展的另一驅動力，不僅提供了更高的數據傳輸速度（最高理論速度可達20 Gb/s），還大幅降低網絡延遲（最低可達1 ms），這對于實時性要求極高的物聯網應用至關重要。根據國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）關于5G 網絡的標準，5G 技術支持每平方公里連接高達100 萬個設備[2]。這一特性使得5G成為物聯網大規模部署的理想選擇。截至目前，全球已有多個國家和地區部署5G 網絡，預計到2025 年，全球5G 用戶數將超過25 億。5G 的推廣和應用將極大地促進物聯網技術在各個領域的深入應用，從而推動整個社會的數字化轉型。
2 端到端加密技術的需求分析
2.1 數據安全性
從數據安全性的角度出發，物聯網環境中的數據安全性要求極高。例如，根據國際標準ISO/IEC 27001，信息安全管理體系要求保障數據的機密性、完整性以及可用性。在物聯網的應用中，如智能家居系統中的個人隱私數據，其加密標準需要遵循高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）128 位或更高位的加密算法[3]。在5G 通信環境中，由于網絡的高速傳輸特性，數據的傳輸量呈指數級增長。例如，5G 網絡的峰值數據速率可以達到20 Gb/s，這對加密技術提出了更高的效率要求，即在保證數據傳輸速率的同時，還要確保數據的加密強度。
2.2 性能與效率需求
考慮到性能與效率，物聯網設備往往具有有限的計算資源和電池容量。這要求加密算法在保證安全的前提下，盡可能地減少對設備性能的影響。根據ITU 對5G 網絡的技術規范，端到端延遲不應超過1 ms。因此，加密算法在物聯網設備上的執行時間必須在毫秒級以內，以滿足實時性的要求。同時，在物聯網設備上運行的加密算法還應考慮能耗問題。例如，算法在執行時應保持設備的功耗在特定范圍內，如不超過設備正常功耗的10%。
2.3 適應性和兼容性需求
適應性和兼容性也是評估端到端加密技術的重要標準。物聯網環境包含各種不同類型的設備和應用場景，這就要求加密技術能夠兼容不同的操作系統、硬件平臺和網絡協議。例如，物聯網設備可能運行于不同版本的Linux 或實時操作系統（Real Time Operating System，RTOS），因此加密算法需要能夠在這些不同的系統上高效運行。另外，隨著新的安全威脅不斷出現，端到端加密算法需要具備一定的靈活性和可擴展性，以應對未來的挑戰。例如，隨著量子計算的發展，傳統的加密算法可能面臨被破解的風險，因此物聯網中的端到端加密技術需考慮未來可能采用量子安全的加密算法，以保證長期的數據安全。
3 5G 通信技術在物聯網中的端到端加密策略
3.1 高效適應性加密算法的應用
在5G 物聯網中應用高效適應性加密算法，首先須考慮算法與5G 網絡特性的適配性。5G 網絡的關鍵特征包括高數據傳輸速率和低延遲，這對加密算法提出特定的性能要求。例如，5G 的理論峰值速率可達20 Gb/s，而端到端延遲理論上可低至1 ms。因此，加密算法必須在不顯著增加傳輸延遲的情況下，處理高速傳輸的數據[4]。為此，算法的計算復雜度須保持在合理范圍內，以避免對設備處理能力的過度消耗。在物聯網環境中，設備的計算能力和電源容量各異。例如，一個簡單的傳感器可能只有有限的計算資源，而一個智能網關可能擁有更強大的處理能力。適應性加密算法應能根據設備的能力動態調整加密級別和算法復雜度。例如，對于計算能力較低的設備，可能采用輕量級的加密算法，如輕量級版的AES 或橢圓曲線加密算法（Elliptic Curves Cryptography，ECC），而對于計算能力較強的設備，則可采用標準AES-256加密。5G 物聯網中不同加密算法的性能如表1 所示。
表1 5G 物聯網中不同加密算法的性能
考慮物聯網設備在5G 網絡中的多樣性，高效適應性加密算法的應用必須覆蓋各種不同的使用場景。以智能城市為例，其中包括從交通信號燈到高清攝像頭的各種設備。在這樣的場景下，交通信號燈可能僅需要基本的加密保護，因為它傳輸的數據相對不敏感。此時，可采用輕量級的加密方法，以減少對設備性能的影響和延長電池壽命。相比之下，高清攝像頭則可能涉及更為敏感的數據，如公共安全監控畫面，因此需要采用更強的加密方法，如AES-256[5]。在這種情況下，雖然加密過程對計算資源的需求更高，但是攝像頭通常連接到電源并擁有較強的處理能力，因此這種加密策略是可行且必要的。
3.2 基于5G 特性的安全網絡架構設計
3.2.1 利用5G 網絡切片實現安全隔離
在設計基于5G 特性的安全網絡架構時，網絡切片技術是實現數據傳輸安全隔離的關鍵。5G 網絡切片允許運營商在同一物理網絡上創建多個虛擬網絡，每個網絡切片都可以有其獨立的網絡架構和安全設置。這種技術使得物聯網應用能夠根據其安全需求和數據傳輸特點，選擇或定制相應的網絡切片[6]。例如，在一個智能工廠中，可以為與生產線直接相關的關鍵設備配置一個高安全級別的網絡切片，該切片可以采用更強的加密措施和嚴格的數據訪問控制。而對于不涉及關鍵操作的設備，如環境監測傳感器，可以配置一個安全級別較低的切片，以優化數據傳輸效率和降低運營成本。5G 網絡切片用于安全隔離的性能對比如表2 所示。
表2 5G 網絡切片用于安全隔離的性能對比
3.2.2 端到端加密在網絡架構中的集成
為確保數據在5G 物聯網中的安全傳輸，端到端加密技術需要被集成于整個網絡架構。這要求在5G網絡的設計初期就將加密機制作為核心組成部分。端到端加密的實現應覆蓋從物聯網設備到網絡核心，再到最終數據處理中心或云平臺的整個數據傳輸過程。在實施端到端加密時，需要考慮5G 網絡的高吞吐量和低延遲特性。例如，對于實時性要求極高的應用，如自動駕駛或遠程醫療，端到端加密算法需要優化以減少加密和解密過程中的延時，確保數據傳輸的實時性不受影響。
3.2.3 強化認證和授權機制
在基于5G 特性的安全網絡架構設計中，強化認證和授權機制是保障網絡和數據安全的另一關鍵方面。由于物聯網設備的多樣性和數量眾多，確保每個設備的身份的正確性和合法性對于防止未授權訪問和數據泄露至關重要。因此，5G 網絡架構應包含一套全面的設備認證和授權系統。該系統可以基于多因素認證機制，結合設備硬件標識、用戶識別卡（Subscriber Identification Module，SIM）卡信息、用戶憑據等多重認證因素，提高認證的安全性。例如，對于關鍵的物聯網設備，如能源管理系統中的智能電表，不僅可以進行常規的密碼認證，還可以進行基于設備特有標識的硬件級認證。
3.3 密鑰管理與身份認證機制
3.3.1 密鑰管理策略的設計與實施
在5G 物聯網環境中，密鑰管理策略的設計和實施需要符合國際標準如ANSI X9.63 和ISO/IEC 11770-1。這些標準規定了密鑰管理的基本要求，包括密鑰的生成、分發、存儲、使用和廢止。例如，密鑰生成應采用強隨機數生成器，符合FIPS 140-2 級別的安全要求。在密鑰分發過程中，應使用基于TLS 1.3協議的安全通信渠道，該協議提供改進的安全特性，如更強的加密算法和更快的握手過程。考慮物聯網設備的多樣性，密鑰管理系統需要支持跨多種設備和平臺的兼容性。例如，在一個由各種傳感器、攝像頭和控制單元組成的物聯網系統中，密鑰管理系統需要能夠適應從低功耗傳感器到高性能處理器的不同計算能力。密鑰存儲方面，對于關鍵設備，如數據中心的服務器，建議使用硬件安全模塊（Hardware Security Module，HSM）來提高密鑰的物理安全性；對于邊緣設備，如工業傳感器，可采用可信平臺模塊（Trusted Platform Module，TPM）或軟件基礎的安全存儲解決方案。
3.3.2 身份認證機制的設計與應用
對于身份認證機制的設計和應用，需要遵循如ETSI TS 123 501 和3GPP TS 33.501 等5G 安全標準。這些標準定義5G 網絡中設備身份驗證和用戶身份驗證的過程。身份認證機制應采用多因素認證方法，結合物理和邏輯安全措施。例如，物理安全措施可以包括SIM 卡的使用和設備特有的硬件標識符，而邏輯安全措施則可以是密碼、數字證書或生物識別技術。此外，在5G 物聯網環境中，身份認證機制需要考慮網絡的高動態性和設備的流動性。這意味著認證機制應支持快速重新認證和動態身份驗證。例如，對于在5G 網絡中移動的車載單元，身份認證系統應能夠在毫秒級別完成認證過程，以減少網絡切換時的延遲。
4 結 論
文章全面5G 通信技術在物聯網中實施端到端加密策略的關鍵方面，包括適應性強的加密算法選擇、基于5G 特性的網絡架構設計以及密鑰管理與身份認證機制的實施。研究指出，隨著5G 技術的快速發展和物聯網應用的日益普及，確保數據傳輸的安全性變得尤為重要。文章深入探討如何在5G 環境下通過高效且適應性強的加密算法、安全的網絡架構設計以及嚴格的密鑰管理與身份認證機制來保障物聯網中的數據安全。這些策略的實施，不僅提高物聯網在5G 環境下的安全性，也為未來物聯網安全提供了可靠的參考。
