AegisCabinet-Zero开发记录

这次物联网技术与安全的大作业，我最后做的是 AegisCabinet-Zero，一套校园智能外卖柜的攻防仿真。选外卖柜主要是因为这个场景离学校生活很近，取件码、柜门、边缘设备和后台服务刚好能串起一条完整链路，不用为了讲安全问题硬造一个很远的背景。

项目地址：AegisCabinet-Zero

最开始的想法其实很普通：做一个 4×4 的柜子矩阵，输入正确取件码就开门，再加几个攻击按钮展示风险。真开始写以后发现，如果攻击只负责弹一句“攻击成功”，防护只负责弹一句“已拦截”，那整个东西还是一张会动的 PPT。后面我给自己定的要求是，每次攻击都得有输入、有报文、有校验过程，最后还要真的改变格口状态、风险分数和审计日志，这才慢慢变成现在这套系统。

整个项目最后保留了普通外卖柜和零知识功能外卖柜两条流程。它们共用同一个格口、同一组演示取件码和同一套攻击入口，切换模式以后再做同一个实验，差别会直接落在报文和结果上。普通柜会把明文取件码送进比较函数，零知识柜则只提交公开的证明数据。这样做比单独摆两张流程图直观很多，尤其是时间侧信道和重放攻击，只有把两边的输入放在一起看，防护到底挡住了什么才说得清。

认证部分用了一个教学规模的 Schnorr 零知识证明。终端根据格口和取件码派生私钥 x，后台只保存对应公钥 y = g^x。每次认证重新生成随机数 r 和承诺 X = g^r，收到挑战 c 后计算响应 s = r + cx mod q，后台检查 g^s 是否等于 X × y^c。这块第一次写通的时候只是“等式能对上”，后面才补了 nonce、时间戳、格口绑定和证明摘要缓存。否则一段数学上成立的旧证明，放回系统里照样可能被重复利用。

这里还有一个容易讲过头的地方：项目里的群参数很小，只是为了让课堂上能看到完整计算过程，不是生产级密码参数。我没有把它包装成可以直接部署的方案，页面底部也明确写了真实系统应该换成熟曲线、密码库、硬件密钥保护和 TLS。仿真能说明认证资产为什么不必包含明文，但不能因为页面上出现了“零知识”三个字，就把真实工程里剩下的密钥管理和设备身份问题全部省掉。

时间侧信道是我前后改得最多的一段。普通模式故意保留逐位比较，前缀每多匹配一位就增加一点处理时间，攻击端对每个候选数字重复采样，再按平均时延挑出下一位。刚开始单次测量抖得很厉害，有时候明明逻辑没错，曲线却看不出规律，后来加了重复测量、最小值和最大值记录，也把匹配前缀单独画出来，才让演示稳定下来。切到零知识模式后，攻击端拿不到明文逐位比较接口，普通字符串比较也改成常量时间方式，曲线会接近水平，日志里会标出攻击停在了哪一层，而不是笼统地说“安全”。

重放攻击一开始只做了时间戳过期，写完以后自己试了一下，发现这个解释太单薄。旧报文除了过期，还可能拿去开另一个格口，也可能在时间窗内连续发送，所以后面把检查拆成了时间窗、nonce、摘要缓存、设备编号和目标格口绑定几步。普通柜允许展示同柜旧报文缺少防重放时会发生什么，但跨柜报文不能为了演示效果就让 A1 的请求打开 A4，这条边界我专门收紧了。现在页面会把攻击报文和当前正确报文并排放出来，哪一个字段不同、在哪一步拒绝都能直接看到。

固件溢出部分没有去伪造一个真正的二进制漏洞，而是定义了一套简单报文：magic、版本、声明长度、payload、Stack Canary 和 CRC。普通模式跳过关键检查，超长 payload 会继续进入处理流程；安全模式先看长度，再检查 Canary 和 CRC，只要守护字节被覆盖就让目标格口进入安全自锁。这个模拟当然代替不了真实 C 固件里的栈溢出利用，但它至少把“载荷进入设备以后发生了什么”讲完整了，也能和前面的认证攻击区分开，不至于所有安全问题最后都变成一个错误弹窗。

界面用 Streamlit 做，主要原因是 Python 里的协议和攻击逻辑写完就能直接接到页面上，不需要再维护一套前后端通信。代价也很明显，Streamlit 每次交互都会重新执行脚本，柜门状态、攻击样本、已使用证明和审计记录如果没放进 session_state，点一下按钮就会丢。后面我把会话记录做成不可变数据类，把日志和采样放进有长度上限的 deque，重放摘要单独用集合保存，所有按钮只改状态，渲染函数再统一读取。代码最后虽然还是一个三千多行的单文件，但状态从哪里来、一次攻击会改哪些东西已经比最初清楚很多。

视觉上我一开始只做了 16 个方块，后来才补成数字孪生格口：青色是锁定，绿色是验证通过，红色是攻击后的自锁，旁边再放信道熵值、业务正确率、防护拦截率和风险分数。真正让页面有用的不是这些颜色，而是下面四个透明面板。时延采样、重放报文、固件 payload 和步骤日志都能展开看，最上面的结果和最下面的证据能对得上。做报告截图的时候也省了很多解释，不需要另外画一套和程序无关的示意图。

做到最后我最满意的不是某一个攻击按钮，而是正常取件、攻击、格口状态和审计记录终于连成了一个闭环。输错码只是拒绝，正确证明会开门，攻击被识别后会自锁，手动关闭柜门又能回到初始状态。这个区别看起来很细，但它让系统不再是三个互不相干的小实验。

项目目前仍然是纯软件仿真，没有真实电控锁、传感器和消息总线，Schnorr 参数、时延和固件内存也都是为了教学做的可观察模型。如果以后继续往下做，我更想接一个 ESP32 或树莓派，把柜门状态、固件签名验证和后台审计真正跑在设备链路上。现在这个版本先把问题讲清楚：物联网安全不是给登录接口换一种算法，而是认证、报文、设备固件和异常处置必须一起闭环。