物联网终端安全入门与实践之了解物联网终端 上篇

 

什么是物联网？

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一、物联网的概念

物联网（Internet of Things，IoT）即“万物相连的互联网”，是传统互联网的拓展与延伸[1]。互联网是由许多网络（局域网）连接起来的一个庞大网络，为所有计算机的信息交互提供通道。逐渐的，这个互联网中不仅接入计算机，还加入了许多手机、平板等移动终端，就形成了移动互联网。

而随着科技的不断进步，人们发现只要为生活中的各类物品装上芯片，就能让它们接入互联网中，实现“万物互联”，这就是物联网诞生的初衷。

物联网既基于互联网、传统电信网等信息的载体，同时又在这些载体的基础上进行拓展，加入物联网的相关协议，诸如RFID、Bluetooth、MQTT、Coap等协议，让不同的物理设备形成互联互通的网络。通俗来讲，物联网的概念就是让生活中的各种设备具备接入互联网的能力，实现人与物、物与物之间的信息交互。

 

二、物联网的组成

物联网通常由3层架构组成，由下到上依次为感知层、网络层、应用层[2]。通俗的来讲，分为端、管、云三部分：

• 端指的是终端。物联网终端实现数据信息采集，属于物联网的感知层；
• 管指的是管道。所有为物联网提供数据传输的设备、系统都属于管道；
• 云是大数据处理的中枢，提供面向用户的设备管理和数据汇聚等功能。

以家用智能摄像机为例，我们通过手机的APP远程访问家里的摄像机，查看家里的情况，并将视频实时上传到云上。在这个过程中，物联网模型由用户（手机）、云端服务器、摄像头、传输系统四元素组成。交互模型如下图所示：

摄像头属于物联网中的感知层，进行现实世界的视频数据采集；云端则为物联网的应用层，汇聚、处理、分析摄像头传输回来的视频数据等，并与用户进行信息交互。在这个模型中，为摄像头与云端提供数据传输管道的设备，均属于网络层。

 

三、物联网终端

物联网终端是我们日常生活中接触最多的部分，本系列文章也以物联网终端为核心而展开。

物联网终端是物联网中连接传感网络与传输网络层，实现采集数据及向网络层发送数据的设备[3]。物联网终端担负着数据采集、数据处理、加密、传输等多种功能，甚至会向用户提供管理窗口。当缺少物联网终端时，传感数据将无法整合传输到云端，”物“联网将不复存在。

物联网终端实际上是传统嵌入式设备的拓展，通常由MCU（微型计算机）、传感器、执行器、通信模块与操作系统组成。终端的形式多种多样，从使用的行业领域来分，可以分为工业物联网终端、农业物联网终端、物流物联网终端、安防物联网终端等；按便携性可以分固定终端、移动终端与手持终端等。

 

四、硬件基础

深入学习物联网终端安全知识之前，首先需要掌握基本的硬件基础知识。本节我们将介绍PCBA的基本概念及其板载常见的元器件和各种接口、芯片。

4.1 PCBA的基本概念

PCBA(printed circuit board assembly)简称主板，就是将PCB(printed circuit board，简称印刷电路板)与元器件组装起来，是物联网设备的硬件模块。PCBA通常包括中央处理器、存储器、电源、输入设备、输出设备、数据通路/总线和外部资源接口等一系列硬件组件。

4.2 认识电子元器件

在物联网终端的PCBA上，最为常见的电子元器件包括电阻、电容、电感、二极管、晶振等。

• 电阻：电阻在电路中常用来调节电路中的电流和电压，或作为电路的负载。电阻的默认标识为R。
  电容：电容的种类较多，能够实现储能、滤波、旁路、去耦、隔直流等功能，能够通交流，隔直流，具体功能因电路而异。电容的默认标识为C。
  电感：电感在电路中起到滤波、延迟、抗电磁干扰等功能，能够通直流、阻交流。电感的默认标识为L。
  二极管：二极管在电路中类似于开关的作用，只允许电流单方向流通。
  晶振：晶振能自身产生时钟信号，为电路中的芯片提供时钟参考。-

4.3 了解储存芯片

ROM存储芯片

图示 winbond ROM

ROM是Read Only Memory的缩写，译为只读存储器。ROM可以在掉电的情况下，依然保存原有的数据，但无法修改内容，适合存储长期使用的数据、程序，也就是我们常称的外存。如今的ROM已经发展出了EEPROM（带电可擦可编程只读存储器），可以按字节进行有限次数的内容刷写，在终端运行时，可以进行数据的修改。传统物联网终端的程序与数据通常存放在EEPROM中。

RAM储存芯片

图示 SDRAM芯片

RAM：RAM（Random Access Memory）称为随机访问存储器，是易失性存储器。当RAM断电时，其保存内容将全部丢失，但读写速度相对较快，适用于保存短时间使用的数据与程序，这也是我们常称的内存。

FLASH储存芯片

图示 Nand Flash芯片

FLASH又称闪存，是广义上的ROM，融合了RAM与ROM的优点，能够多次擦写，读写速度快，并且断电时不丢失数据。所以FLASH也常作为物联网终端设备的代码存储空间。

常见的FLASH存储器又分为两种：NAND FLASH与NOR FLASH。NAND FLASH的改写速度要比NOR FLASH快许多，且容量更大；而NOR FLASH读取速度则稍快一些，传输效率更高。因此NAND FLASH适合存储大量数据，NOR FLASH则更适合存储少量代码。

相较于EEPROM，FLASH按照扇区操作修改数据，电路逻辑更简单，成本更低，但无法在设备运行时对数据进行修改。因此，在一些物联网设备中，会同时配置EEPROM与FLASH两个存储芯片，EEPROM负责保存设备的数据，方便随时修改；而FLASH则负责保存设备的程序。在一些廉价的终端设计中，可能只有FLASH一种存储芯片，同时保存程序与数据。

介绍完常见的存储芯片，接下来我们了解一下在安全研究过程中常用的设备调试接口。

4.4 调试接口

在物联网终端开发流程中，调试是一个必不可少的环节。开发工程师可以通过调试接口对设备进行软件的功能完备性测试，整体系统的性能测试与压力测试等。安全研究人员则能通过设备的调试接口读取设备的运行数据、日志，下载设备的软件，调试设备的系统等。在对设备进行安全分析时，合理利用调试接口能够达到事半功倍的效果。

UART接口

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）接口是访问设备最为常见的方式，属于异步串行通信协议接口。厂商在部署设备时可以通过UART接口进行设备诊断、日志记录等操作，所以在研究终端设备时，我们需要重点关注设备的UART接口。

物联网终端中的UART接口常采用的TTL电平标准进行信号传输，这种逻辑门电路采用二进制规定，+5V或+3.3V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”。

UART接口在工作时不需要外部时钟，而是根据固定的波特率进行数据采样，根据TTL电平规则转换成相应的二进制，然后将采样结果通过规定二进制长转换成字符串形式。如果接口设置的波特率与设备的波特率不匹配，转换出的二进制结果将不正确，会导致转换出的字符串显示乱码。物联网终端常见的波特率通常为9600、115200。UART接口通常有4个引脚，分别是Tx、Rx、Vcc和GND。

图示 PCBA上的UART

Tx引脚是设备的数据发送端；Rx引脚是设备的数据接收端；Vcc是电压电源端，通常是3.3V或5V，与Tx、Rx两引脚的电压通常相近；GND是设备的接地引脚，电压为0V。

图示 USB转TTL模块

在进行调试时，需要通过USB转TTL工具，连接计算机与PCBA的UART接口。在进行连接时，需要注意相关的接口顺序：

JTAG接口

JTAG接口类似于UART接口，同样能够对设备进行调试。通过JTAG接口还能够直接访问FLASH或RAM，进行数据转储等。JTAG接口包含5个引脚：

• TDI：数据输入引脚
• TDO：数据输出引脚
• TMS：测试模式选择
• TCK：测试时钟
• TRST：测试复位

本期《物联网终端安全入门与实践之了解物联网终端》的硬件基础知识部分到这里就结束了，下一期文章我们将继续分享固件基础相关内容，干货满满，请大家持续关注哦！