Рекомендации по противодействию угрозам безопасности устройствам интернета вещей

1.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«МИРЭА – Российский технологический университет»
РТУ МИРЭА
Институт искусственного интеллекта
Кафедра Компьютерной и информационной безопасности
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОТИВОДЕЙСТВИЮ УГРОЗАМ
БЕЗОПАСНОСТИ УСТРОЙСТВАМ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ НА
ПРИМЕРЕ ПРОТОКОЛА Z-WAVE
Студент: Зайцев А.А., гр. ККСО-03-18
Научный руководитель: Жанкевич А.О.

2.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ состоит в необходимости создания рекомендаций для одного из ведущих протоколов
связи и управления, имеющим в своём составе более 100 миллионов подключенных устройств —
радиопротокола Z-Wave, производства компании Z-Wave Alliance (с 2017 года совместно с компанией
Silicon Labs), осуществляющей предоставление услуг по производству и продаже средств домашней и
производственной автоматизаций. Специфика данного протокола требует серьёзных решений в
вопросе безопасности устройств ввиду того, что одной из уязвимостей протокола является возможность
понижения его шифрования до первичной версии, когда устройство становится полностью
незащищённым.
ЦЕЛЬЮ выпускной квалификационной работы является анализ и разработка рекомендаций для
безопасного взаимодействия в устройствах интернета вещей (IoT) на примере протокола Z-Wave.
Для достижения обозначенной цели необходимо решить следующие ЗАДАЧИ:
Проанализировать историю развития Интернета вещей и осуществить структурное представление
основных составляющих IoT;
Провести сравнительный анализ современных протоколов связи и управления в Интернете вещей (IoT);
Составить характеристику и описать особенности работы протокола Z-Wave в современных системах
домашней автоматизации;
Провести оценку проблем безопасности и способов их решения в структуре протокола Z-Wave;
Осуществить разработку рекомендаций по использованию протокола Z-Wave в устройствах
Интернета вещей (IoT).
2

3.

ОБЪЕКТ, ПРЕДМЕТ, СТРУКТУРА РАБОТЫ
ОБЪЕКТОМ исследования является протокол связи и управления Z-Wave.
ПРЕДМЕТОМ исследования являются методы безопасного взаимодействия протокола ZWave в устройствах Интернета вещей (IoT).
СТРУКТУРА РАБОТЫ состоит из списка обозначений и сокращений, введения, 3-ёх глав,
заключения и списка использованных источников.
3

4.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
4

5.

АРХИТЕКТУРА ДОСТУПНЫХ РЕШЕНИЙ СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЫ
ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
Архитектура доступных решений современной системы Интернета вещей
5

6.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПРОТОКОЛОВ
СВЯЗИ И УПРАВЛЕНИЯ В ИНТЕРНЕТЕ ВЕЩЕЙ
6

7.

СОВРЕМЕННЫЕ РЕШЕНИЯ ДОМАШНЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРИ
ПОМОЩИ ПРОТОКОЛОВ СВЯЗИ УПРАВЛЕНИЯ
Системы умного видеонаблюдения позволяют владельцу помещения контролировать безопасность имущества
и иметь прямые доказательства в случае обнаружения несанкционированного проникновения на территорию, а
подключенные системы к продуктам компаний, коллаборирующих с организациями, предоставляющими
охранные услуги и услуги быстрого реагирования, позволят и предотвратить данные случаи стороннего доступа
на территорию.
Система умного света и комбинированные решения в областях электрификации позволяют домовладельцу
обеспечить экономию электроэнергии, организацию зонального включения света на основе движений объектов,
а также позволит при помощи умных розеток создавать целые сценарии по организации ежедневных бытовых
процессов, интегрируя необходимый пользователю подбор команд, которые будут входить в состав сценария,
который может активироваться в большинстве случаев, в том числе, и посредством голосового управления, без
взаимодействия со вспомогательным интерфейсом.
Решения, предлагаемые IoT-устройствами в Интернете вещей, позволяют также организовать процессы
увлажнения и подачи воздуха в помещении, настроить автополив газона / растений / иных предметов
владельца, контролировать состояние газа при помощи соответствующего датчика управления и даже
организовать процессы контроля за питанием домашних животных посредством установки и синхронизации
умных поилок и кормушек для животных – подобных аксессуары на рынке Интернета вещей в последние годы
наиболее активно предоставляет компания Xiaomi.
Комплексными решениями, реализуемыми посредством протоколов связи и управления IoT-устройствами в
Интернете вещей, также могут быть оснащены детские комнаты с контролем ребёнка посредством умных
камер (особенно актуально для родителей, имеющих новорождённых детей). Не менее популярными
решениями для домашней автоматизации также являются настройки сценариев сухой и влажной уборок,
которые будут актуальных для владельцев многокомнатных квартир и помещений, в особенности
располагающими сожителями пожилого возраста, за которыми требуется постоянный контроль.
7

8.

ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСОБЕННОСТИ ПРОТОКОЛА Z-WAVE
• Для Российской Федерации диапазоном частот являются 868-869 МГц (преимущественно работа IoT-устройств
осуществляется на диапазоне в 869 МГц);
• Особенностью европейского вещания в радиоканале для протокола Z-Wave является ограничение рабочего цикла
в 1%, что формирует возможность работы IoT-устройств на Z-Wave в передаче сигнала исключительно в 1%
времени, в свою очередь формирует адаптивное энергосбережение и активацию IoT-устройств, работающих на
протоколе Z-Wave в показатель 0,1% времени;
• Пропускная способность IoT-устройств на протоколе в среднем делится на три основные скорости: 9,6, 40 или 100
кбит/с, что позволяет реализовать полную совместимость всех поддерживаемых IoT-устройств, выпускающихся для
протокола Z-Wave компаниями-партнёрами Z-Wave Alliance.
• В частотных диапазонах, на которых осуществляется работа IoT-устройств, подключенных к протоколу связи и
управления Z-Wave используется фильтр Гаусса, исполняющего роль сглаживания частотных перестроек при
изменении значения информационного символа (Gaussian Frequency-Shift Keying, GFSK).
• В составе Z-Wave сети каждое IoT-устройство определяется собственным идентификатором (Node ID), а сама
сеть Z-Wave, которая может включать в свой состав до 232 устройств (узлов) имеет собственный идентификатор
сети (Network ID). Её длина, как правило, составляет 4 байта (32 бита) и посредством основного (primary)
контроллера присваивается к каждому устройству в составе умного дома при подключении устройства к сети. При
этом узлы в составе сети, имеющие разные идентификаторы не могут общаться между собой.
8

9.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОТОКОЛА Z-WAVE В
СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМАХ В ДОМАШНЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
Датчик открытия дверей или окон Fibaro FGK-101-107
Датчик движения Express Control EZ-Motion
Контроллер на базе
микрокомпьютера RaZberry Pi
Умная розетка Fibaro Wall Plug
FGWPE[F]-101 [2,5 KBT]
9

10.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОТОКОЛА Z-WAVE В
СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМАХ В ДОМАШНЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
Процесс регистрации системы на базе протокола ZWave в составе веб-сегмента Z-Way Configuration
Interface
Настройка основных параметров и виджетов на базе
протокола Z-Wave в составе веб-сегмента Z-Way
Configuration Interface
10

11.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОТОКОЛА Z-WAVE В
СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМАХ В ДОМАШНЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ
Настройка избранных вкладок для быстрого доступа на
базе протокола Z-Wave в составе веб-сегмента Z-Way
Configuration Interface
Настройка автоматизации IoT-устройств на базе
протокола Z-Wave в составе веб-сегмента Z-Way
Configuration Interface
11

12.

ТИПОВЫЕ УГРОЗЫ ПРОТОКОЛА Z-WAVE
EZ-Wave с помощью Hack RF;
CVE-2023-3100 в последствиях перехвата и расшифровки команд;
Переполнение буфера на основе стека, позволяющего осуществлять
выполнение произвольного кода;
Атаки с использованием JSON;
MiTM атаки;
DDoS атаки, использующие IoT-Устройства в качестве вспомогательных
устройств ботнета;
Сниффинг в радиочастотном диапазоне Z-Wave;
Возможность понижения версии шифрования устройства с S2 до S0.
12

13.

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
ПРОТОКОЛА Z-WAVE В УСТРОЙСТВАХ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
Осуществить отключение всех составных компонентов в доме,
работающих на Wi-Fi частоте (иные IoT-устройства других брендов,
системы устройств, использующих в качестве основного типа связи WI-Fi
соединение (ПК, мобильные телефоны, планшеты и т.п.) и прочие
устройства). Данный процесс поспособствует правильной настройке всех
приобретённых IoT-устройствах при создании Mesh-сети, по которой
функционируют IoT-устройства на протоколе Z-Wave, так как для
управления
IoT-устройствами
при
помощи
данного
протокола
используется контроллер RaZberry, работающий в стеке протокола TCP/IP
<--> Z-Wave, где с устройства управления, которым может служить
мобильный телефон, компьютер или планшет производится отправка НТТРзапроса посредством Wi-Fi, а контроллером RaZberry выполняется
отправка обратных команд на подключение IoT-устройств, работающих с
протоколом связи и управления Z-Wave;
Для исключения проблем с атаками на контроллер, его достаточно
отключить от TCP/IP сети – он продолжить свою работу с автоматизацией
дома, действуя без прямого подключения, так как ему уже известная
топология и состав сети, включая расположение устройств в нём.
Переподключать контроллер можно только в случаях с добавлением новых
IoT-устройств в состав умного дома – обновив структуру сети, контроллер
можно вновь отключить;
Использовать шифрования версии S2 на абсолютно всех устройствах с
исключением «мостиков» для гибридного шифрования. Даже старые IoTустройства на Z-Wave поддерживают данный вид шифрования,
построенный на ранее описанном процессе эллиптических кривых
Диффи-Хеллмана, увеличивающего безопасность IoT-устройств в составе
умного дома;
Осуществить смену повышения шифрования с AES-128 до AES-256 в панели
администрирования, чтобы двукратно увеличить длину ключа шифрования
с 128 до 256-битной последовательности. В качестве вспомогательного ПО
устанавливаем утилиту редактора iRidium GUI Editor от компании Iridium
Mobile для точечных настроек протокола Z-Wave.
13
Внешний вид пользовательского интерфейса
редактора iRidium GUI Editor

14.

РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
ПРОТОКОЛА Z-WAVE В УСТРОЙСТВАХ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
После успешного выполнения данных действий, в составе панели
управления переходим в раздел «выбор компонентов» и выбираем
вариант «автоматически» вместо поиска устройств вручную. Обменявшись
стартовыми командами для определения ближайших узлов, IoT-устройства
автоматических воссоздадут актуальную Mesh-сеть, самостоятельно
определив контроллеры, концентраторы и усилители сигнала, в том числе
и осуществив их выбор на основе распределения геопозиции в
помещении. Таким образом будут выбраны ретрансляторы и
промежуточные узлы в системе, исполняющие соответствующие им
команды для эффективной работы в составе инфраструктуры протокола
Z-Wave.
После реализации данного этапа необходимо настроить режим
пробуждения
контроллера
RaZberry
(WakeUp
Notification)
для
периодического получения контролером от IoT-устройств в сети
информации о показаниях датчиков (уровня заряда батареи, температуры
устройства, общем рабочем состоянии, статусе IoT-устройства в сети и
пр.). Достигается данный процесс отправкой соответствующей команды
пробуждения через панель администратора, управляющей сетью, где
можно задать выполнение данной команды. В качестве рекомендуемого
промежутка времени для IoT-устройств умного дома, наиболее
сбалансированным будет этап пробуждения и отправки пакетов,
находящихся в очереди 1 раз в 14 суток. Можно увеличить данный диапазон
и до тестирования состояния IoT-устройств 1 раз в месяц. Средний срок
износа батареек варьируется от полугода до трёх лет в зависимости от
класса энергопотребления и технологических особенностей IoTустройства.
14
Внешний вид пользовательского интерфейса
редактора iRidium GUI Editor

15.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕКОМЕНДАЦИЙ ДЛЯ IOT-УСТРОЙСТВ С
ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОТОКОЛА Z-WAVE НА ПРИМЕРЕ ЗАГОРОДНОГО ДОМА
Построение системы «умный дом» на загородном участке с
площадью 420м2 – Поэтажный План – 1-ый этаж
15

16.

17.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ХОДЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ключевыми типовыми угрозами оказались эксплойты, атаки типа «сниффинг» и атаки, включающие в себя
различные инструменты перехвата информационного трафика (инъекции команд, методы перебора паролей и других ключевых полей
авторизации), влияющих на итоговую безопасную работу IoT-устройств в составе Z-Wave сети.
Отмеченные угрозы являются частично решёнными, но имеются и открытые угрозы, оставшиеся на момент исследования без
соответствующего решения. Достижение успеха в большинстве угроз достигается ключевой уязвимостью протокола – возможности
понижения версии используемого шифрования формата S2 (алгоритмов шифрования методом Диффи-Хелмана) до стандартного
алгоритма шифрования S0, состоящего из ключа шифрования длиной в последовательности из 16 или 128 нулей, позволяющих после
прохождения этапов шифрования данных об авторизации пользователя совершать незаконные действия, связанные с нарушением
информационной безопасности домовладельца. Решение данной проблемы отмечается в ходе исследования перечнем
рекомендаций, по созданию закрытой формы единого шифрования для всех устройств. Помимо данной рекомендации, отмечаются
ключевые особенности правильной первичной настройки IoT-устройств и их взаимосвязанных программно-аппаратных средств,
позволяющих осуществлять контроль через панель управления администратора.
ОЦЕНИВАЯ ОБЩИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОТОКОЛА важно обозначить его тесное сотрудничество с конкурентами – так как решения в
радиоканале являются актуальными далеко не для каждого домовладельца, а стоимость некоторых систем управления, таких как SDK от
компании Silicon Labs, являются достаточно дорогими, движение компании Z-Wave Alliance в сторону более компромиссных решений
позволяют ей не только поддерживать достойную конкуренцию на рынке, где количество IoT-устройств Z-Wave превышает более 100
миллионов активных рабочих устройств, но и способствует наиболее сбалансированному и поступательному движению в вопросах
организации безопасности и повышения качества предлагаемых новых линеек и функциональных решений в них в составе своей
продукции.
17

18.

СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ
пожалуйста, Ваши вопросы

English Русский Правила