GPS定位技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域中的應(yīng)用

1 引言

　　從美國的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)開始，這項以位置信息為聚焦點的技術(shù)逐漸進入了人們的視野，并受到了極大的重視，發(fā)展速度迅猛。定位技術(shù)不僅對國家安全、軍事發(fā)展有著戰(zhàn)略性的意義，而且通過與現(xiàn)有的商業(yè)應(yīng)用服務(wù)相結(jié)合，為廣大民眾提供了一種基于位置信息的新型現(xiàn)代服務(wù)模式，帶來了新鮮的用戶體驗，并逐步滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，正在成為生活中不可缺少的一種服務(wù)。

　　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，也帶來了諸多問題和隱患，其中的信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全問題就是一個明顯例子。尤其是伴隨著移動寬帶接入技術(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)的自身特點和安全防護需求，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技術(shù)應(yīng)運而生，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 Ranging / Global Position System，即衛(wèi)星測時測距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)。美國從20世紀(jì)70年代開始研制GPS系統(tǒng)，這項歷時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個軌道面上，以11小時58分為周期環(huán)繞地球運轉(zhuǎn)，衛(wèi)星軌道面相對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、任何時刻至少可以觀測到4顆衛(wèi)星。

　　GPS系統(tǒng)是一套具有在海、陸、空全方位實時三維導(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、自動化、高效益等顯著特點。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、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)利潤的同時，也在逐步改變著現(xiàn)代人類的生活方式。

　　2.2 移動定位技術(shù)

　　美國通信委員會（FCC）在1996年通過了增強911法案（在1999年再次修訂），要求手機運營商必須知道每一部手機的地理位置（誤差控制在50~100m之內(nèi)）。任何一部手機撥打美國緊急服務(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，極大地促進了移動定位技術(shù)及其相關(guān)服務(wù)業(yè)務(wù)研究的發(fā)展。

　　3G時代的到來又為移動定位技術(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)，針對移動定位技術(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)。

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

　　2.3 室內(nèi)定位技術(shù)

　　即使GPS系統(tǒng)和諸多移動定位技術(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，例如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、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)定位時經(jīng)常由于無法接受到衛(wèi)星信號而導(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）以及計算機視覺定位技術(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)造出新的市場和商機，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、智能手機等便攜式的終端設(shè)備，在任何部署了無線局域網(wǎng)的場所連接到互聯(lián)網(wǎng)，例如圖書館、商場、咖啡廳、餐廳等公共場所以及辦公大樓等辦公場所，極大地滿足了廣大用戶需要隨時隨地上網(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化了無線系統(tǒng)管理、安全和升級等任務(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（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，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)新形勢下對網(wǎng)絡(luò)安全的需求。尤其是對于網(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，能夠有效阻止外界的非法訪問、保護敏感信息等是當(dāng)前企業(yè)關(guān)注的焦點。

　　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)視和入侵保護工具的支持，但是企業(yè)的焦點已經(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上網(wǎng)服務(wù)的同時，提供對這種難以管理的自由性進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)因為辦公需要為人力資源部門實現(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，從而限制對網(wǎng)絡(luò)訪問的活動。這一理念在技術(shù)上并不難實現(xiàn)，只要將定位技術(shù)引入無線局域網(wǎng)即可實現(xiàn)。

 

　　用戶的身份基于一種或多種ID（如RFID工牌/訪客牌和移動Wi-Fi設(shè)備）來建立，同時采用定位技術(shù)來確定具體ID的位置，這樣就實現(xiàn)了對用戶適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)訪問級別的設(shè)定。其基本的前提是圍繞每一個移動設(shè)備和每名用戶建立一個虛擬的訪問圍欄。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設(shè)備時，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或移動設(shè)備訪問網(wǎng)上非授權(quán)信息的可能性。

 

　　“地理圍欄通過對訪客位置進行跟蹤，當(dāng)他/她在會議室與公司其他員工在一起時允許其訪問無線局域網(wǎng)，而離開會議室之后的訪問則予以拒絕。同時，“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、移動設(shè)備身份識別技術(shù)的綜合運用，把網(wǎng)絡(luò)的防護和智能辨認(rèn)功能提升到更高的層次。“地理圍欄可以創(chuàng)建一個伴隨每一個移動設(shè)備移動的客戶化的無形圍欄，使網(wǎng)絡(luò)管理員能夠確保每一個設(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?！拔锢韲鷻诘膽?yīng)用場景大多位于室內(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)點定位技術(shù)中，根據(jù)節(jié)點是否已知自身的位置，把傳感器節(jié)點分為信標(biāo)節(jié)點（Beacon Node）和未知節(jié)點（Unknown Node）。信標(biāo)節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中所占的比例很小，是未知節(jié)點定位的參考點。除了信標(biāo)節(jié)點外，其他傳感器節(jié)點就是未知節(jié)點，它們通過信標(biāo)節(jié)點的位置信息，根據(jù)一定的定位算法計算出自身位置。

 

　　根據(jù)定位過程中是否測量實際節(jié)點間的距離，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法和圓形定位算法。它們的原理是未知節(jié)點通過測量接收信號強度（RSS）獲得與信標(biāo)節(jié)點之間的實際距離，再使用一定數(shù)學(xué)方法獲得自身位置信息。

整理：洪麓豐