Security and Privacy in Smart City Applications

智能城市的应用框架
- 智能应用
- 智能城市架构
- 智能城市中的安全和隐私问题
- - 数据传感中的隐私泄露
  - 数据存储和处理中的隐私和可用性
  - 可靠的控制
- 智慧城市范例的安全解决方案
- - 智能医疗系统中隐私保护的感染传播分析
  - 智能交通的安全导航
  - 智能电网的自适应密钥管理
- 未来研究方向
小结

摘要
随着物联网的蓬勃发展，智慧城市已成为一种新兴的范式，由无处不在的传感、异构网络基础设施和智能信息处理与控制系统组成。智慧城市可以实时监控现实世界，为当地居民和游客提供交通、医疗、环境、娱乐、能源等方面的智能服务。但是，智能城市应用程序不仅从人们和他们的社交圈收集大量的隐私敏感信息，而且还控制着城市设施，影响着人们的生活，因此存在着安全和隐私问题。在本文中，我们研究了智能城市应用中的安全和隐私。具体来说，我们首先介绍有前途的智慧城市应用和建筑。然后，我们讨论了这些应用程序中的几个安全和隐私挑战。随后提出了一些研究成果，以解决智能医疗、交通和智能能源方面的安全和隐私挑战。最后，我们指出了未来研究中有待解决的问题。

摘要

随着物联网的蓬勃发展，智慧城市已成为一种新兴的范式，由无处不在的传感、异构网络基础设施和智能信息处理与控制系统组成。智慧城市可以实时监控现实世界，为当地居民和游客提供交通、医疗、环境、娱乐、能源等方面的智能服务。但是，智能城市应用程序不仅从人们和他们的社交圈收集大量的隐私敏感信息，而且还控制着城市设施，影响着人们的生活，因此存在着安全和隐私问题。在本文中，我们研究了智能城市应用中的安全和隐私。具体来说，我们首先介绍有前途的智慧城市应用和建筑。然后，我们讨论了这些应用程序中的几个安全和隐私挑战。随后提出了一些研究成果，以解决智能医疗、交通和智能能源方面的安全和隐私挑战。最后，我们指出了未来研究中有待解决的问题。

随着经济和社会转型的加快，人们从农村向城市迁移，形成了世界范围内最大的城市化浪潮。到2030年，城市人口预计将达到50亿(约占世界人口的60%)，这将为城市的经济和社会发展带来巨大的机遇。由于当地居民日益增长的需求，基础设施和政策的发展并没有相应的保障。此外，这种无计划的、过快的城市增长给气候、能源、环境甚至生活带来了过重的负担。这些问题阻碍了城市的可持续发展。为缓解快速城市化带来的问题，迫切需要改善治理和服务提供，提供快速无缝的出行，并在人口密集地区实现便捷的城市公共设施、经济适用房、优质医疗、教育和生活。需要特别关注城市化趋势、城市运营的创新管理以及为当地居民、游客和政府提供的各种智能服务，以满足日益增长和多样化的需求。智慧城市的发展和繁荣，为实现这些增值服务和解决城市化问题提供了启示。
智慧城市作为一种新兴范式，利用物联网、信息物理系统、大数据分析、实时控制等多种有前途的技术，为当地居民提供智能服务和舒适生活。它集成了无处不在的传感组件、异构网络基础设施和强大的计算系统，以感知来自城市的物理变化，并反馈到物理世界。具体来说，从能源到环境，从道路交通到医疗保健，从家庭区域到公共场所，RFID设备、传感器和多功能可穿戴设备被推广以提供实时监控和无处不在的传感。然后将传感信息通过异构网络传输到控制中心。该控制中心利用强大的计算系统(如云服务器)的相对优势来处理和分析收集到的数据。在人类智能的推动下，控制中心做出最优决策，并通过执行器等反馈组件来操纵城市运营。智慧城市以先进的信息、通信、控制技术为骨干，可以提供智能交通、智能能源、智能医疗、智能家居等多种应用。这个新兴的互联城市不仅可以快速识别人们和城市的需求，还可以操纵城市运作，以一种智能和可持续的方式改善城市生活质量。预计到2020年，全球智慧城市市场规模将超过1200亿美元，几乎是2014年的三倍
当城市变得更加智能化时，由于智能城市应用程序的漏洞，人们可能会遭受一系列的安全和隐私威胁。例如，恶意攻击者可能会生成虚假数据来操纵检测结果，从而影响智能城市中的服务、决策和控制，使其不够智能。此外，这些恶意攻击者还可以发起拒绝服务攻击，破坏智能城市的感知、传输和控制，降低智能服务的质量。此外，智能城市中无处不在的视频监控，会捕捉到大量的图像和视频片段，这些图像和视频片段可能被用来推断当地居民的轨迹，从本质上危害他们的隐私。智能家居应用程序收集和管理的住宅区域信息，可能会为披露住宅高度隐私敏感的生活方式铺平道路，甚至造成经济损失。虽然可以直接应用一些现成的技术(加密、认证、匿名等)和策略来避免这些问题，但新兴的智能攻击者仍然可以通过许多其他方式来推断和侵犯隐私，如侧通道攻击和冷启动攻击。如果没有足够的安全和隐私保护，用户可能会拒绝接受智能城市，这仍将是一个遥远的未来概念
智慧城市将从物理世界中感知到的信息、在通信世界中传递的信息和在信息世界中处理过的信息进行操作，以实现无处不在的感知和巧妙的城市管理。这些新兴趋势激发了我们的研究，调查非营利性的智能城市安全和隐私的全球倡议。在本文中，我们首先介绍智能城市应用程序和异构体系结构。然后我们讨论了几个具有挑战性的安全和隐私问题，包括隐私泄漏、安全信息处理和控制的可靠性。本文提出了一些创新性的研究工作，以解决各种智能城市应用中的这些挑战。最后，从安全与隐私的角度提出了智能城市的几个开放性研究方向和展望。

智能城市的应用框架

随着智慧城市连接物理世界和信息世界，从局部到全球，从传感到控制，许多智能应用正在涌现，如图1所示。在本节中，我们将介绍智能城市应用程序和异构架构。

智能应用

智慧城市的应用在能源、环境、工业、生活和服务等各个方面都使人们和城市受益。我们将介绍几个关键的应用程序如下。

智能能源:智能能源利用广泛部署的传感器监测能源的生产、传输、分配和消耗，利用公用事业使用、电动汽车充电、智能电网等。它不仅可以在很多方面降低能耗，还可以防止电网停电和个人用电故障。
智能环境:商场环境旨在为智慧城市提供舒适的气候和可持续发展的环境。将泛在传感与智能气候管理结合应用于智能环境应用。他们可以监测废气、温室气体、城市噪音、空气和水污染、森林状况等等，以提供智能和可持续的发展。
智能产业:智能产业以智慧城市产业可持续发展为主要驱动力，以优化工业生产和制造业为目标，实现高效和稳健。一方面，它减少了工业过程中的材料和资源消耗(如劳动力、时间和生产线);另一方面，它可以防止工业热量和废气的过度排放。在智能产业中，传感和控制都是捕获组件，需要实时反馈和精确操作。最后，采用伺服执行器、电机和机器人，实现智能工业的精确控制和操作。
智能生活:在家庭领域，智能生活提供各种家电和公用事业的智能管理，创造舒适的家庭，同时提高能源效率。它可以远程控制家电、气候调节、节能、监控、娱乐和教育。在社区(或建筑)中，智能生活应用还可以智能管理垃圾回收、社交网络和停车，提供一个舒适的生活、贴心的服务、美妙的体验、可持续的环境和能源的智能社区(或建筑)。
智能服务:智能服务使公共设施和服务在各个方面造福于人们。例如，智能交通[8]可以帮助当地居民和旅行者避免道路交通拥堵，实现道路导航，发现兴趣点，管理出行规划等。道路交通信息可以通过部署的传感器、十字路口的摄像头、GPS、智能手机等方式收集。控制中心调整旅客的道路计划，并向他们的智能手机或GPS反馈信息。此外，还可以通过管理交通灯和公共交通工具(如公交车、火车、共享自行车等)来调节道路交通。

为了提供高质量的医疗保健，智能医疗保健能够对智能城市中的人们进行持续的健康监测和及时诊断(包括健康警告)。它依靠可穿戴设备和医疗传感器来测量用户的健康状况，并将健康数据发送到处理单元，以便医生进一步诊断。此外，还可以方便地获取用户的历史综合健康信息，大大提高了在早期诊断慢性或传染病的机会。此外，智能医疗还包含家庭护理、紧急报警、智能健身训练等多种健康相关应用。

智能城市架构

智慧城市将从物理世界中感知到的信息、在通信世界中传递的信息和在信息世界中处理过的信息进行操作，以实现无处不在的感知和巧妙的城市管理。它包括传感组件、异构网络基础设施、处理单元以及控制和操作组件，如图2所示。

传感组件:传感组件利用可穿戴设备、工业传感器和智能设备(如智能手机、智能电表和视频监控摄像头[4])来测量来自物理世界的信息，并将这些信息传输给处理单元以进行决策。换句话说，传感组件是连接物理世界和信息世界的桥梁。传感设备由政府、部门和公司部署，或者由用户携带，如上所述。此外，由于设备大小、电池容量和处理能力的限制，这些资源受限的感知设备通常在将实时和粒度数据发送到网络之前对其进行预处理或压缩。
异构网络:海量的传感设备和各种各样的应用[9]并存，传感信息以不同的方式收集，异构网络基础设施对智慧城市的支撑起了重要作用。异构网络包括蜂窝网络、无线局域网(WLANs)、广域网(WAN)、设备到设备通信、毫米波通信、传感器网络等，能够实现不同类型网络之间的无缝切换。异构网络代表了智能城市中连接物理世界和信息世界的通信世界。
处理单元:处理单元利用强大的云计算服务器、丰富的数据库和专用的控制系统来分析和处理从物理世界收集到的传感信息，以进行决策。处理单元管理着智慧城市中的信息世界。授权实体，如政府、医院、工厂、用户等对收集的信息具有一定的权限和权限。它们还可以确定智能城市中决策和控制的需求或政策。
控制和操作组件:智能城市利用处理单元的优化和决策，通过控制和操作组件(如伺服驱动器或智能手机)反馈操作物理世界。这些控制和操作组件对物理世界进行优化和调整，以便在智慧城市中提供高质量的生活。它们还实现了智慧城市的双向流动(即传感和控制)。他的双向流动不仅可以获得关于物质世界的知识;它还可以监控和管理智能城市中的每一个设备或组件，使其正常运行和智能化。
尽管城市正在寻求变得更智能，但智能城市应用程序在安全和隐私方面引发了一系列担忧和挑战。作为一种信息和网络范式，智慧城市应该能够保护所涉及的信息不被未经授权的访问、披露、破坏、修改、检查和销毁。

智能城市中的安全和隐私问题

尽管城市正在寻求变得更智能，但智能城市应用程序在安全和隐私方面引发了一系列担忧和挑战。作为一种信息和网络范式，智慧城市应该能够保护所涉及的信息不被未经授权的访问、披露、破坏、修改、检查和销毁。在信息、通信和物理世界中，应该满足底层安全性和隐私需求，包括机密性、完整性、不可否认性、可用性、访问控制和隐私性。除了这些一般的要求，确保智慧城市的安全仍然面临一系列独特的挑战。一方面，智能城市从人们的生活和环境中收集粒度级和隐私敏感的信息;另一方面，它处理这些信息，操纵和影响人们的生活。由于这些独特的特点，安全和隐私问题变得具有挑战性，并阻止了智能城市的吸引力，以鼓励更多的使用。

数据传感中的隐私泄露

智慧城市在收集、传输和处理私人信息的过程中，容易受到隐私泄露和外部攻击者推断信息的影响。智能城市中被披露的隐私信息可能包括用户在交通、医疗、智能监控中推断出的生活方式、智能能源、家庭和社区等方面的身份和位置。将这些对隐私敏感的信息披露给物理世界和通信世界中不受信任或未经授权的实体将是一个重大的疏忽。为了在数据感知过程中保护用户隐私，可以应用一些现成的安全和隐私技术，如加密、匿名和访问控制。Martinez等人提出了一套针对智能城市应用的隐私概念和一般隐私要求。标识身份、查询、位置、足迹和所有者的隐私，并提供一些基本思想来解决一般问题。
然而，部分私人信息仍可能在不知不觉中泄露给不可信的实体。例如，智能监控可以捕捉当地居民的日常生活暗示、生活方式，甚至隐私，尽管它最初是为了监控现实和网络世界中的犯罪行为而设计的。同样，智能家居也利用监控摄像头来检测盗窃或异常事件。侵入智能家居的攻击者可能会获取家庭区域的私人信息，从而损害住宅的隐私。大多数现有的安全和隐私保护是针对外部窃听者和攻击者开发的。但是潜在的内部攻击者，如特工、雇员和保安，能够访问监视记录，可能窃取用户数据或为外部攻击者留下漏洞。此外，智能城市中的数据具有高度粒度和不同类型，因此不同类型的隐私要求也不同。如何在智慧城市中建立可调节的隐私保护机制，平衡隐私与效率之间的平衡，是一个挑战。

数据存储和处理中的隐私和可用性

在信息世界中，智能城市利用强大的云服务器进行数据存储和处理的比较优势，同时也面临着云服务器不可信的安全威胁。如果智能城市数据在存储和处理过程中以明文形式显示，则直接显示给云服务器。另一种方法是对智慧城市数据进行加密，将密文发送到云服务器进行存储和处理。虽然这种方法防止了不受信任的云服务器直接访问采集到的数据，但云服务器无法对加密后的数据进行处理，无法为智慧城市应用程序进行有效的分析操作。全同态加密技术的最新突破为加密数据的求和和比较等处理提供了思路。在效率方面，计算开销提出了另一个迫在眉睫的挑战，特别是当智能城市涉及大量数据时。
确保智慧城市安全的另一个具有挑战性的问题是数据共享和访问控制。例如，道路交通数据可以通过部署的摄像头或旅行者的智能手机和GPS以众包的方式收集。在全球道路规划中，如何定义访问策略并实现协作者之间的隐私保护数据共享是一个挑战。因此，智慧城市的数据存储与共享需要广泛的研究。

可靠的控制

智慧城市是一个双向控制流，依靠控制系统和执行机构来实现控制中心确定的操作。物理世界中的控制和反馈系统，特别是公共和工业基础设施，成为攻击者、罪犯甚至恐怖分子的极具吸引力的目标。拒绝服务攻击、欺骗攻击、恶意数据注入等都会扰乱智能城市，导致管理、控制和操作要么不正确，要么被禁用。这些恶意攻击和错误行为大多是通过第三方检查和审计发现的。软件定义网络采用了数据完整性功能和数字签名，以实现数据完整性、访问控制等。与此同时，可信计算是一个最先进的解决方案，以抵抗操作系统和软件框架的改变。然而，这些方案在智能城市中检测智能攻击时存在较大的延迟和误判率。在智慧城市中，控制的可靠性被视为重中之重，高效、快速地检测恶意攻击和不当行为成为一个挑战，需要各方和利益相关方共同努力。

智慧城市范例的安全解决方案

为了在智慧城市中实现安全和隐私的概念，需要平衡和务实的解决方案。在本节中，我们将介绍智能医疗、智能交通和智能电网等几种新兴智慧城市范式的最新安全和隐私保护方案。

智能医疗系统中隐私保护的感染传播分析

智能医疗由互联的生物医学传感器和健康数据存储和处理单元驱动，提供预防、治疗和缓解医疗服务。它可以从用户那里收集广泛的实时健康数据，并分析和防范全市范围内的严重健康问题，如传染病传播。传染性疾病(如埃博拉病毒、流感和急性呼吸道感染)可通过人与人之间的接触在人群中迅速传播，特别是当感染者在人群中咳嗽和打喷嚏时。从生物医学和社会学的角度来看，与患者有频繁接触或密切社会关系的人(如在同一教室学习的学生或同住一间房子的家庭)通常被认为是易感人群。一种老式的预防方法是将易感人群隔离一段时间。但是，这种方法没有考虑到他们的健康状况和易感性所带来的负面影响，包括大量的医疗费用、隔离人群的经济损失、社会的恐慌或焦虑
人们，恐慌或焦虑的社会。为了解决感染传播问题，智能医疗通过实时分析疫情爆发季节的传染性，提供高效的诊断和健康状况(或突发事件)预警。假设一个初中生鲍勃，在传染病爆发期间，从健康和社会的角度被持续监测。如果鲍勃的免疫力下降，而且经常接触感染学生，就有可能被推断为早期易感患者。一般来说，传染病的传播取决于使用者的社会接触和健康状况。具体而言，这一传播过程可能受到几个关键的感染因素的影响，即受感染患者的易感性、接触用户的免疫强度、接触时间和社会关系

社交网络数据与实时健康数据的融合，促成了一种新的感染分析范式，如图3所示。一方面，社交网络利用各种应用程序在用户的社交互动中挖掘他们的社交联系。例如，微信的好友发现程序可以找到距离较近的用户，并记录社交互动;语音识别可以检测出是否有人咳嗽或打喷嚏;人脸标记功能可以从图像中识别出用户的脸。相反，可穿戴设备和医疗传感器可以实时监测使用者的健康状况
然而，健康和社交网络数据是由多个独立的服务提供商收集的，如医院和社交网络供应商(如Facebook和微信)。这些服务提供者之间的协作是实现这种增强感染分析的关键挑战，并带来一系列安全问题。在智能医疗保健应用中，社交和健康云服务器都被认为是诚实而有趣的。为了保护用户的数据隐私，实现数据可用性，可以采用同态加密，使社交网络和健康数据对不受信任的云服务器都不可见。不同不受信任的云服务器之间的协作是通过被授权的实体(即用户授权的医院，如图3所示)来实现的。然而，当医院在社交云服务器上查询受感染患者的数据时，即使查询内容仍然不可见，社交云服务器也可能推断被查询的用户已被感染。此外，任何没有数据所有者授权的实体都不应该能够查询所有者的数据。最先进的安全和隐私保护对智能医疗至关重要。如果没有有效的保护，用户可能不愿意与他人分享其社会和健康数据，从而导致感染分析无法进行。
为此，对保护隐私的数据查询开发了条件无关传输协议。一方面，它允许授权实体(如医生)从社交云服务器访问患者的社交网络数据;另一方面，它阻止社交云服务器访问数据和推断有关查询的任何信息，比如患者的身份。用户或数据所有者能够在查询之前向受信任实体授予授权。智能医疗保健整合社交网络和健康数据，用于感染分析。健康数据联系人数据健康数据联系人数据医院用户感染患者测量健康云服务器社会云服务器社会联系IEEE通信杂志2017年1月127实体未经用户授权不能查询任何数据。此外，利用基于同态加密的安全多方计算，防止不可信健康云学习任何私人的社会和健康数据。

智能交通的安全导航

智慧城市为当地居民和游客提供道路交通调整、导航、景点推荐、停车等各方面的智能交通服务。导航作为智能交通的重要组成部分，引起了人们的广泛关注。现有的GPS设备可以通过在预先下载的地图上显示路线来提供静态导航。但由于缺乏实时的道路交通调整，计算出的最快路径可能会因动态拥堵而延迟。动态导航以众包的方式，利用人类智能和道路上的行人和路边单元(rsu)的动态道路交通感知
如图4所示，一个查询器，即导航服务中的查询车辆，向最近的RSU发送一个导航查询。查询包含当前位置、目标和过期时间。然后RSU通过RSU之间的网络将该查询转发给覆盖目的地的RSU。rsu收到导航查询后，将众包任务发送给其覆盖区域内的车辆，为查询者寻找最快的行驶路线。查询器在进入每个RSU的覆盖区域后，从RSU获取响应，最终到达目的地。
在这种类型的分布式导航中，查询车辆和响应车辆的私有位置信息都可能被公开。为此，利用Elgamal和AES (Advanced Encryption Standard, AES)方案对查询器从查询器到最后一个RSU的每一跳的位置和目的地进行加密，保护车辆的查询隐私。为了防止rsu将导航查询和检索查询链接到特定的车辆上，每辆车辆随机分发由受信任机构发出的凭证，以生成一个组签名。此外，为防止导航响应中的敏感信息被泄露，行车路线采用Elgamal和AES方案加密，并结合零知识范围证明，证明时间开销小于给定的阈值，但不暴露准确值。最后，群签名的可追溯性允许受信任的机构跟踪任何不诚实遵守规则的恶意车辆。
综上所述，该隐私保护导航方案依靠分布式RSU以众包方式完成道路规划任务。在查询、众包和导航阶段，查询者和响应者都可以保护位置隐私。

智能电网的自适应密钥管理

智能电网依靠数以百万计的智能电表来测量住宅区或建筑物的实时用电量，如图5所示。这些计量数据被汇总到控制中心，以优化配电。然而，一系列的攻击试图篡改智能仪表记录，并将修改后的数据上传到控制中心。此外，不断增加的计量数据量为每个[6]设备的密钥管理提出了一个新的具有挑战性的问题。在智能计量的聚合过程中，最重要的是要实现数据的完整性和认证。此外，住宅地区的计量数据可以反映住宅的生活方式、状况(如长时间的低耗电量表明居民不在家)、偏好。如果不受信任的聚合者得知并泄露这些隐私信息，将会损害居民的隐私，甚至造成经济损失。

Zhang等人提出了一种隐私保护聚合方案(PARK)，以提高计算效率，并保护智能计量数据不被泄露给不可信的聚合器。提出了一种基于双向哈希链的自适应密钥管理方案，在每个时间段内为每个智能电表生成加密密钥。受信任的机构将聚合器的解密密钥计算为来自一组N个智能电表的加密密钥的总和。只有当拥有全部N个密文时，聚合器才能解密N个智能电表的总和。如果没有智能电表加入或离开智能电网，智能电表的加密密钥就会自动更新。聚合器的解密密钥以同步方式更新。受信任的权威机构决定哈希链的长度，这反映了智能表的声誉。信誉高的仪表接收到的密钥失效时间长。当一些仪表加入或离开智能电网时，受信任的机构只需要更新聚合器的解密密钥。撤销开销主要来自解密密钥的重新分配。如图6所示，提出的PARK方案在每次密钥更新时，密钥分发开销为一次性，而其他方案(分布式密钥管理和朴素方案)密钥更新开销较高。此外，向前和向后保密是基于单向哈希函数的安全性实现的。

未来研究方向

由于一些现成的安全和隐私解决方案可能无法克服智能城市中的所有挑战，我们讨论了几个开放的研究方向，包括但不限于以下。
首先，众筹利用当地居民的智能传感设备，可以提高智能城市的传感能力，而不是单纯依赖于预先部署的固定传感器。然而，群体感知的准确性可能会因参与者的知识、偏好、自私等而有所不同。激励市民为众筹做出贡献的最初想法是为他们制定激励措施。此外，在设计激励方案时也要考虑到诚信。此外，隐藏在感知结果中的众筹贡献者的隐私可能会被更聪明的攻击者破坏。特别是，当多个贡献者将他们的感知结果集中在一起时，单个贡献者的隐私信息很可能被其他人协作推断出来。因此，如何在智慧城市中实现群体感应的激励和隐私仍然是一个挑战。
其次，智能城市在传感和控制阶段都容易出现虚假数据注入。数字签名技术不能防止数据从源头被篡改。利用机器学习和数据挖掘，提出合理感知数据的边界，是检测虚假数据注入的一种方法。异常检测技术可能是识别虚假数据的一种替代方法。然而，这仍然是一个有待解决的问题，需要多学科知识和努力加以解决。
最后但并非最不重要的一点是，智能城市中不断增长的数据和设备量给智能服务和隐私带来了公开问题。内部攻击者利用人类的智能，访问大数据，从而推断和侵犯数据所有者的隐私;甚至传统的密码方案也被应用到大数据中。检测这些内部攻击者的另一种方法是增强可跟踪性，并允许可信的第三方进行监视和审计。同时，市政府、监管部门、行业、学术界和商业公司之间的合作是必要的，以建立隐私政策和法规。此外，数据隐私、可用性和管理应该同时实现。

小结

在本文中，我们研究了智慧城市，并讨论了在新兴的智慧城市应用中所面临的安全和隐私挑战。我们首先介绍了智慧城市在不同方面的应用，并讨论了建筑。然后，我们提出了一般的安全和隐私需求，并确定了智能城市面临的几个安全挑战。此外，我们还更深入地探讨了智能城市应用的最先进的安全和隐私解决方案。并对今后的研究方向进行了讨论。
我们希望这篇文章能更多地阐明智能城市的安全和隐私，未来将会有更多突破性的研究沿着这条新兴的路线进行。

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