定位技術(shù)在信息網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)中的應(yīng)用

1 引言

　近十年來互聯(lián)網(wǎng)的飛躍式發(fā)展，在引領(lǐng)了第三次信息產(chǎn)業(yè)革命的同時(shí)，也帶來了諸多問題和隱患，其中的信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全問題就是一個(gè)明顯例子。尤其是伴隨著移動(dòng)寬帶接入技術(shù)的普及和發(fā)展，無線寬帶網(wǎng)絡(luò)安全隱患更是讓政府相關(guān)監(jiān)管部門和企業(yè)感到憂心忡忡。在這樣的背景下，考慮無線寬帶網(wǎng)絡(luò)的自身特點(diǎn)和安全防護(hù)需求，定位技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生的基于位置信息的安全防護(hù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，而且必將有著廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景

　　2  定位技術(shù)

　　2.1  GPS定位技術(shù)

　　GPS系統(tǒng)可以說是出現(xiàn)最早、發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的定位技術(shù)。GPS的英文全名是“Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Position System”，即衛(wèi)星測(cè)時(shí)測(cè)距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)。美國(guó)從20世紀(jì)70年代開始研制GPS系統(tǒng)，這項(xiàng)歷時(shí)20年，耗資200億美元的系統(tǒng)，于1994年建成。該系統(tǒng)由24顆位于太空的衛(wèi)星群提供位置信息服務(wù)，這24顆衛(wèi)星均勻地分布在6個(gè)軌道面上，以11小時(shí)58分為周期環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，衛(wèi)星軌道面相對(duì)于地球赤道面的軌道傾角為55°。這種布局的目的是保證在全球任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻至少可以觀測(cè)到4顆衛(wèi)星。

　　GPS系統(tǒng)是一套具有在海、陸、空全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，其定位誤差可以控制在10m。經(jīng)過十多年全球眾多專業(yè)部門的使用表明，GPS具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)。如今，GPS客戶端接收器體積不斷縮小，客戶端的精確度越來越高，甚至已經(jīng)出現(xiàn)在一些高端手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品中。GPS客戶端的普及加速了GPS定位技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，在創(chuàng)造了巨大的商業(yè)利潤(rùn)的同時(shí)，也在逐步改變著現(xiàn)代人類的生活方式。

　　2.2  移動(dòng)定位技術(shù)

　　美國(guó)通信委員會(huì)（FCC）在1996年通過了增強(qiáng)911法案（在1999年再次修訂），要求手機(jī)運(yùn)營(yíng)商必須知道每一部手機(jī)的地理位置（誤差控制在50~100m之內(nèi)）。任何一部手機(jī)撥打美國(guó)緊急服務(wù)電話911，政府就要知道其位置，即使用戶自身不知道身在哪里。FCC的這一法案，極大地促進(jìn)了移動(dòng)定位技術(shù)及其相關(guān)服務(wù)業(yè)務(wù)研究的發(fā)展。

　　3G時(shí)代的到來又為移動(dòng)定位技術(shù)的發(fā)展開啟了新的篇章。隨著數(shù)據(jù)傳輸能力的提高，終端多媒體能力的普及以及終端芯片中內(nèi)置GPS方案的出現(xiàn)，針對(duì)移動(dòng)定位技術(shù)的限制越來越少。目前，全球范圍內(nèi)普遍使用的3G移動(dòng)定位技術(shù)主要有4種，分別是基于網(wǎng)絡(luò)的CELL-ID，TOA/TDOA定位技術(shù)，基于終端的OTDOA定位技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)與終端混合的A-GPS定位技術(shù)。

　　移動(dòng)定位技術(shù)的飛速發(fā)展和全球移動(dòng)用戶數(shù)量的迅猛增長(zhǎng)，也為基于用戶位置的移動(dòng)定位業(yè)務(wù)（Location Based Service，LBS）提供了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和極其誘人的市場(chǎng)前景。

　　2.3  室內(nèi)定位技術(shù)

　　即使GPS系統(tǒng)和諸多移動(dòng)定位技術(shù)在室外定位應(yīng)用服務(wù)中取得了巨大成功，但是在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，例如機(jī)場(chǎng)大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場(chǎng)、礦井等環(huán)境中，它們的表現(xiàn)就不太令人滿意了。以GPS系統(tǒng)為例，在室內(nèi)定位時(shí)經(jīng)常由于無法接受到衛(wèi)星信號(hào)而導(dǎo)致定位失敗或者定位誤差過大，致使系統(tǒng)不能正常使用。為了彌補(bǔ)室內(nèi)定位的空白，各種各樣新穎的室內(nèi)定位技術(shù)如雨后春筍般應(yīng)運(yùn)而生，這其中包括室內(nèi)GPS定位技術(shù)、室內(nèi)無線定位技術(shù)（Wi-Fi，藍(lán)牙，RFID，光跟蹤，超聲波，紅外線，超寬帶，無線傳感器等）以及計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)等。

　　雖然室內(nèi)定位技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用處于剛剛起步的階段，但是隨著技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展以及與已有的定位技術(shù)和商業(yè)服務(wù)相結(jié)合，必將能夠創(chuàng)造出新的市場(chǎng)和商機(jī)，而與其相關(guān)的位置服務(wù)業(yè)務(wù)也必將深入人們的生活之中。

　　3  定位技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用

　　隨著802.11n和Mesh技術(shù)的推出，無線局域網(wǎng)（WLAN）作為一種新興的互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入手段正在逐步改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的基于固定寬帶的上網(wǎng)方式。擺脫了網(wǎng)線的束縛，人們可以通過筆記本電腦、上網(wǎng)本、智能手機(jī)等便攜式的終端設(shè)備，在任何部署了無線局域網(wǎng)的場(chǎng)所連接到互聯(lián)網(wǎng)，例如圖書館、商場(chǎng)、咖啡廳、餐廳等公共場(chǎng)所以及辦公大樓等辦公場(chǎng)所，極大地滿足了廣大用戶需要隨時(shí)隨地上網(wǎng)的迫切需求。而集中式的無線局域網(wǎng)架構(gòu)的應(yīng)用極大地降低了成本并簡(jiǎn)化了無線系統(tǒng)管理、安全和升級(jí)等任務(wù)，使得無線局域網(wǎng)得到了迅速普及和快速發(fā)展。

　　無線局域網(wǎng)在終端和接入訪問點(diǎn)（Access Piont）之間采取無線信道作為信息傳輸途徑，較之傳統(tǒng)的固定線路更為開放、便捷的同時(shí)，也為網(wǎng)絡(luò)安全帶來了新的挑戰(zhàn)。原有的固定局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、策略和管理方式已經(jīng)不能滿足無線局域網(wǎng)新形勢(shì)下對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的需求。尤其是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全有較高需求的企業(yè)來說，如何在使用無線局域網(wǎng)改善辦公條件的同時(shí)，能夠有效阻止外界的非法訪問、保護(hù)敏感信息等是當(dāng)前企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　雖然一些標(biāo)準(zhǔn)（如Wi-Fi WPA2和802.11i）能夠提供全新水平的無線安全能力并得到了新的監(jiān)視和入侵保護(hù)工具的支持，但是企業(yè)的焦點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向如何將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全和物理安全相結(jié)合，形成一套基于位置信息的新型網(wǎng)絡(luò)安全解決方案。幫助企業(yè)平衡在為自己的員工和訪客提供移動(dòng)上網(wǎng)服務(wù)的同時(shí)，提供對(duì)這種難以管理的自由性進(jìn)行必要檢查之間的矛盾。

　　例如，企業(yè)在自己的辦公大樓內(nèi)部署了無線局域網(wǎng)，方便員工辦公，但是企業(yè)不希望處于辦公大樓之外的人訪問自己的無線局域網(wǎng)，以防備網(wǎng)絡(luò)攻擊、敏感信息竊取等安全隱患。再比如，企業(yè)因?yàn)檗k公需要為人力資源部門實(shí)現(xiàn)無線上網(wǎng)功能，但是需要限制除人力資源部門以外的無線訪問，以阻止其他人訪問部門內(nèi)部的敏感資料，如員工信息、績(jī)效考核信息等。

　　這就是基于位置信息的安全技術(shù)發(fā)揮作用的根本所在：基于用戶的位置信息限制無線局域網(wǎng)訪問權(quán)限。除增加了一層物理安全保護(hù)外，定位控制加*問權(quán)限控制還可以防止網(wǎng)絡(luò)單元的過載（并且阻止“拒絕服務(wù)”的攻擊），以及限制訪客在哪里可以訪問網(wǎng)絡(luò)。

　　這種新的網(wǎng)絡(luò)安全思路其實(shí)體現(xiàn)了一種“物理圍欄”的概念，即基于訪客的地理位置以及授權(quán)狀態(tài)等因素，從而限制對(duì)網(wǎng)絡(luò)訪問的活動(dòng)。這一理念在技術(shù)上并不難實(shí)現(xiàn)，只要將定位技術(shù)引入無線局域網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)。

　　用戶的身份基于一種或多種ID（如RFID工牌/訪客牌和移動(dòng)Wi-Fi設(shè)備）來建立，同時(shí)采用定位技術(shù)來確定具體ID的位置，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)訪問級(jí)別的設(shè)定。其基本的前提是圍繞每一個(gè)移動(dòng)設(shè)備和每名用戶建立一個(gè)虛擬的訪問圍欄。它的工作原理是跟蹤用戶在樓內(nèi)的行動(dòng)情況，根據(jù)授權(quán)狀態(tài)和是否在指定的允許區(qū)域，來認(rèn)可或拒絕用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的訪問。

　　“物理圍欄”還可以設(shè)定只有當(dāng)ID卡（物理安全）符合提供給指定的用戶和他的移動(dòng)設(shè)備時(shí)，才能訪問無線局域網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)資源，這樣極大地降低了某人使用其他用戶的便攜機(jī)或移動(dòng)設(shè)備訪問網(wǎng)上非授權(quán)信息的可能性。

　　“地理圍欄”通過對(duì)訪客位置進(jìn)行跟蹤，當(dāng)他/她在會(huì)議室與公司其他員工在一起時(shí)允許其訪問無線局域網(wǎng)，而離開會(huì)議室之后的訪問則予以拒絕。同時(shí)，“地理圍欄”還可以在訪客離開允許區(qū)域后發(fā)出告警信息，并終止無線局域網(wǎng)訪問。

　　基于位置信息的安全技術(shù)和用戶、移動(dòng)設(shè)備身份識(shí)別技術(shù)的綜合運(yùn)用，把網(wǎng)絡(luò)的防護(hù)和智能辨認(rèn)功能提升到更高的層次。“地理圍欄”可以創(chuàng)建一個(gè)伴隨每一個(gè)移動(dòng)設(shè)備移動(dòng)的客戶化的無形圍欄，使網(wǎng)絡(luò)管理員能夠確保每一個(gè)設(shè)備僅能訪問網(wǎng)絡(luò)上被授權(quán)的區(qū)域和資源。

　　4  室內(nèi)定位技術(shù)的原理

　　實(shí)現(xiàn)基于位置信息的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案的關(guān)鍵在于獲取位置信息，這就需要定位技術(shù)的幫助。“物理圍欄”的應(yīng)用場(chǎng)景大多位于室內(nèi)，所以本文以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為例，簡(jiǎn)述室內(nèi)定位技術(shù)的原理。

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否已知自身的位置，把傳感器節(jié)點(diǎn)分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（Beacon Node）和未知節(jié)點(diǎn)（Unknown Node）。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中所占的比例很小，是未知節(jié)點(diǎn)定位的參考點(diǎn)。除了信標(biāo)節(jié)點(diǎn)外，其他傳感器節(jié)點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)，它們通過信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息，根據(jù)一定的定位算法計(jì)算出自身位置。

　　根據(jù)定位過程中是否測(cè)量實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離，把定位算法分成基于距離的（Range-based）定位算法和距離無關(guān)的（Range-free）定位算法。主流的基于距離的定位算法包括極大似然估計(jì)法和圓形定位算法。它們的原理是未知節(jié)點(diǎn)通過測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）獲得與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際距離，再使用一定數(shù)學(xué)方法獲得自身位置信息。

　　這其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有兩個(gè)：

　?。?）如何將接收信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)之間的距離。在基于距離的定位算法中，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離。實(shí)際上這個(gè)理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途褪菬o線信道模型，它將接收信號(hào)強(qiáng)度與距離聯(lián)系起來。例如，在自由空間衰落模型中，發(fā)射方和接收方之間的距離越遠(yuǎn)，接收信號(hào)強(qiáng)度越弱。目前，常用的信道模型包括Nakagami衰落模型、瑞利衰落模型、萊斯衰落模型以及對(duì)數(shù)正態(tài)陰影路徑損耗模型。保證定位精確度的首要工作就是選擇正確的信道模型。不同空間的信號(hào)衰落規(guī)律是不一樣的，只有根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)男诺滥Ｐ停拍軌蚴菇邮招盘?hào)強(qiáng)度能夠較為精確地轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)之間的距離，不至于引入過大的誤差，降低定位精確度。

　?。?）關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于定位算法所使用的數(shù)學(xué)方法至少需要3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離和位置信息才能夠計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置。而且獲得的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離和位置信息越多，定位精確度越高。所以在系統(tǒng)部署的環(huán)節(jié)中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置選擇的標(biāo)準(zhǔn)是：能夠保證在定位區(qū)域內(nèi)的任何位置都可以接收到至少3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。而由于建筑物內(nèi)墻壁的阻擋會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)強(qiáng)度急劇下降，影響接收信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為實(shí)際距離的結(jié)果，所以最好能夠保證在定位區(qū)域內(nèi)的任何位置都可以接收到至少3個(gè)視距范圍內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的原理同樣適用于其他基于無線信號(hào)的室內(nèi)定位技術(shù)，例如Wi-Fi，藍(lán)牙，RFID等。只是由于所使用的具體的物理層技術(shù)不同，在獲得已知和未知節(jié)點(diǎn)間距離的方法上可能不近相同。通信距離上的差異、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同也導(dǎo)致基于不同定位技術(shù)的定位系統(tǒng)在部署方面存在差異，但是其大致原理和所使用的定位算法還是相通的。

　　5  結(jié)束語

　　基于位置信息的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)作為一種新興的、跨學(xué)科的安全防護(hù)技術(shù)還處于研究和應(yīng)用的初級(jí)階段。“物理圍欄”技術(shù)只是定位技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的簡(jiǎn)單結(jié)合。隨著研究的深入，基于位置信息的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)必將更為成熟和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也不再局限于無線局域網(wǎng)，而是將在更廣泛的安全領(lǐng)域中發(fā)揮積極作用。