在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署中，無(wú)線技術(shù)（不包括低功率）可大致分為蜂窩或短程無(wú)線。短距離無(wú)線包括 Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee 和各種其他協(xié)議。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常決定使用現(xiàn)成且經(jīng)過認(rèn)證的無(wú)線模塊，而不是從頭開始設(shè)計(jì)無(wú)線通信電路。其中一些現(xiàn)在在單個(gè)模塊中適應(yīng)各種頻率和協(xié)議。本文討論了 Wi-Fi 模塊的架構(gòu)，以及設(shè)計(jì)人員通過使用此類模塊中可用的資源來提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)安全性的機(jī)會(huì)。在實(shí)踐中，相同的通用方法可以應(yīng)用于其他模塊，而不管所涉及的無(wú)線協(xié)議如何。

什么是 Wi-Fi 模塊？

Wi-Fi 模塊包括用于 2.4GHz 或 5GHz 頻段（或兩者）的無(wú)線收發(fā)器、天線和用于運(yùn)行固件、使無(wú)線電能夠接收和傳輸數(shù)據(jù)以及操作協(xié)議的微控制器。微控制器的外部接口通常是 SPI、I 2 C、USB 或 UART。

圖 1：無(wú)線模塊的基本元素。

將 Wi-Fi 模塊連接到網(wǎng)絡(luò)

Wi-Fi 模塊需要運(yùn)行 IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)定義的幾種不同協(xié)議才能連接到網(wǎng)絡(luò)。連接后，它們還必須運(yùn)行所需的機(jī)器對(duì)機(jī)器協(xié)議。用于連接到云服務(wù)器的一組典型協(xié)議棧和函數(shù)可能包括：

1. TLS
2. TCP/IP
3. HTTP/S
4. FTP
5. MQTT
6. 證書處理（安全）
7. 加密密鑰使用（安全性）

由于成本和功率限制，Wi-Fi 模塊中的設(shè)備通常資源有限，因此通常會(huì)將一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議卸載到主機(jī)應(yīng)用處理器。與調(diào)制解調(diào)器一樣，Wi-Fi 模塊通過 UART 接口使用 AT 命令。隨著模塊變得更加復(fù)雜，AT 命令變得更加強(qiáng)大，應(yīng)用處理器的工作量也減少了。

無(wú)線系統(tǒng)分區(qū)

從安全的角度來看，一個(gè)重要的考慮因素是每個(gè)協(xié)議棧和安全功能應(yīng)該駐留在哪里。早期的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常會(huì)在 Wi-Fi 模塊上運(yùn)行 TCP/IP 和 HTTP 協(xié)議，而 HTTP 命令、客戶應(yīng)用程序和安全證書由應(yīng)用程序處理器處理。

由于 HTTPS 協(xié)議取代了 HTTP 以確保對(duì)通過 Internet 發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，因此 HTTPS 協(xié)議棧通常包含在 Wi-Fi 模塊中，但 HTTPS 命令來自應(yīng)用程序處理器。HTTPS 由 TLS 協(xié)議保護(hù)，需要使用加密技術(shù)。加密密鑰通常由應(yīng)用處理器存儲(chǔ)在其本地安全存儲(chǔ)器中。然而，連接到應(yīng)用處理器的安全元件通常用作替代的安全存儲(chǔ)機(jī)制。

圖 2：在哪里存儲(chǔ)各種協(xié)議棧、證書和密鑰是一個(gè)安全關(guān)鍵的決定。

上述方法的最大弱點(diǎn)是通過 UART/SPI 鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常是明文的。這意味著無(wú)法通過它安全地發(fā)送加密密鑰。當(dāng)無(wú)線模塊連接到 IoT 設(shè)備（例如傳感器）時(shí)，這一挑戰(zhàn)會(huì)更加嚴(yán)重，然后您需要為用于安全管理此類設(shè)備的任何軟件平臺(tái)存儲(chǔ)根證書、URL 和 API，以及加密密鑰當(dāng)它們連接到服務(wù)和應(yīng)用程序時(shí)。

構(gòu)建 Wi-Fi 模塊以加速物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理

Crypto Quantique 的 QuarkLink （QL） 等軟件安全平臺(tái)可以節(jié)省數(shù)月的時(shí)間來實(shí)施安全連接到云服務(wù)器所需的復(fù)雜堆棧。這提供了針對(duì)流行微控制器的固件 API 和示例項(xiàng)目。該平臺(tái)通過簡(jiǎn)單的圖形用戶界面提供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的入職和生命周期管理。用戶幾乎不需要安全專業(yè)知識(shí)。數(shù)以千計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以在幾分鐘內(nèi)安全地連接到本地或基于云的服務(wù)器。

如果微控制器中有足夠的資源來存儲(chǔ)促進(jìn)安全連接所需的元素，則可以配置更復(fù)雜的 Wi-Fi 模塊以在網(wǎng)絡(luò)中使用 QuarkLink。此類模塊還將具有到應(yīng)用處理器的加密鏈接。然后將配置功能劃分，如圖 3 所示。

圖 3：具有簡(jiǎn)化設(shè)備啟動(dòng)和生命周期管理所需的 QuarkLink 資源的無(wú)線模塊。

選擇您的 Wi-Fi 模塊：選擇注意事項(xiàng)

在為安全物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用選擇 Wi-Fi 模塊時(shí)，請(qǐng)選擇具有足夠處理器和內(nèi)存資源的模塊，以便在模塊本身而非應(yīng)用處理器中存儲(chǔ)和處理所選安全平臺(tái)的元素。這將降低開發(fā)可靠物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品所需的復(fù)雜性和工程資源。

然后可以將工程工作集中在核心應(yīng)用程序上，而無(wú)需調(diào)試復(fù)雜、安全的通信軟件堆棧。結(jié)果是更安全和可靠的結(jié)果，消除了 Wi-Fi 模塊和應(yīng)用處理器之間過于復(fù)雜的通信的需要。

Chris Jones是Crypto Quantique 的物聯(lián)網(wǎng)安全專家。在項(xiàng)目管理和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程領(lǐng)域擁有 28 年的職業(yè)生涯之后，Chris 在英國(guó)劍橋的 Secure ThingZ 擔(dān)任了兩年的高級(jí)應(yīng)用工程師，從事物聯(lián)網(wǎng)安全工作。他于 2020 年 5 月加入 Crypto Quantique。Chris 擁有英國(guó)考文垂大學(xué)電氣和電子工程學(xué)士學(xué)位