通信工程師論文混沌加密算法在智能家居通信安全系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　隨著人們生活水平的提高，智能家居技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步被推廣和應(yīng)用，文章針對(duì)智能家居系統(tǒng)在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中出現(xiàn)的惡意攻擊、隱私泄露、身份盜用等網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，提出了基于混沌加密算法的通信安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用AES加密算法為系統(tǒng)進(jìn)行加密設(shè)計(jì)，可以有效抵御靜態(tài)口令丟失、偽服務(wù)器攻擊等安全威脅，進(jìn)而提高了系統(tǒng)保密性，使智能家居系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸更加安全。

　　《江蘇通信》(雙月刊)創(chuàng)刊于1985年，由江蘇省通信學(xué)會(huì)主辦。本刊“立足江蘇通信行業(yè)，面向世界通信發(fā)展，報(bào)道最新科技成果，開(kāi)展學(xué)術(shù)技術(shù)培訓(xùn)交流”。榮獲1989、1993、1996、1998、2002年連續(xù)五屆被評(píng)為通信行業(yè)優(yōu)秀科技期刊、1999年江蘇省優(yōu)秀期刊。

　　智能家居控制系統(tǒng)是電子技術(shù)、通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)等交叉融合的綜合控制系統(tǒng)，利用各種先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)施實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭的家居設(shè)備進(jìn)行綜合性管理和控制以及實(shí)現(xiàn)家庭的防監(jiān)控等功能，隨著人們生活水平的提高，智能家居技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步被推廣和應(yīng)用。ZigBee 技術(shù)最適合應(yīng)用于智能家居無(wú)線通信，具有易組網(wǎng)、低成本、低功耗、短時(shí)延、高安全等優(yōu)點(diǎn)[1]。采用 WiFi 技術(shù)，將控制主機(jī)與控制器分離開(kāi)并通過(guò) WiFi 網(wǎng)絡(luò)連接，達(dá)到了一對(duì)多控制的技術(shù)效果，移動(dòng)終端可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居的遠(yuǎn)程控制[2]。智能家居給人們生活帶來(lái)方便的同時(shí)，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全問(wèn)題也成為需要解決的重要問(wèn)題?；煦缂用芗夹g(shù)具有對(duì)初值敏感、密鑰管理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于智能家居數(shù)據(jù)保密傳輸系統(tǒng)中，具有良好的加密效果。

　　1 數(shù)據(jù)加密算法選擇

　　1.1 對(duì)稱加密算法

　　AES融合高級(jí)數(shù)據(jù)加密算法具有算法公開(kāi)、無(wú)需授權(quán)、計(jì)算量小、加密/解密速度快等特點(diǎn)[3]。采用相同的密鑰進(jìn)行加密/解密，密鑰是決定該算法安全性的重要因素。常用的對(duì)稱加密算法有DES、AES，DES是一種面向二進(jìn)制的分組密碼算法，其分組長(zhǎng)度常采用128位。

　　1.2 非對(duì)稱加密算法

　　非對(duì)稱加密算法在加密過(guò)程中采用公鑰，解密過(guò)程中采用私鑰，是一種雙密鑰加密技術(shù)，相對(duì)于對(duì)稱加密技術(shù)而言，其安全性更高，非對(duì)稱加密/解密算法原理框圖如圖2所示。

　　1.3 加密算法的選擇

　　本設(shè)計(jì)中的智能家居控制系統(tǒng)，采用ARM處理器作為核心控制器，以植入嵌入式系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)為核心，依托ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集和控制指令的執(zhí)行，采用S3C2440A作為核心處理器，用DM900作為網(wǎng)絡(luò)接口芯片，使用 TI公司CC2530 芯片作為ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)核心控制器。由于采用ARM處理器，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于CPU的主頻不是很高，同時(shí)要考慮到運(yùn)算精度、內(nèi)存容量等問(wèn)題，對(duì)于數(shù)據(jù)加密方式的選擇就顯得尤為重要， 所以本設(shè)計(jì)中采用AES對(duì)稱加密算法。

　　2 智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 智能家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　智能家居控制系統(tǒng)一般包括核心控制器、ZigBee協(xié)調(diào)器、智能終端、控制對(duì)象等部分，主要實(shí)現(xiàn)基于智能終端對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程控制、家庭安防報(bào)警系統(tǒng)控制、溫濕度監(jiān)測(cè)、瓦斯泄露監(jiān)測(cè)報(bào)警等功能，智能家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖如圖1所示。

　　智能家居控制系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)作為核心控制設(shè)備，主要承擔(dān)著通信系統(tǒng)中的認(rèn)證服務(wù)和密鑰產(chǎn)生的功能。本設(shè)計(jì)使用友善之臂mini2440開(kāi)發(fā)板作為核心控制平臺(tái)，通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器對(duì)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和控制， ZigBee節(jié)點(diǎn)連接相應(yīng)的傳感器對(duì)家居環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以便對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以滿足用戶的需求，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)完成與遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　3 AES數(shù)據(jù)加密算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　AES是一種對(duì)稱加密算法，該算法包含明文分組和非線性變換交換兩類操作，AES加密算法的密鑰長(zhǎng)度分為128、192、256三種，本設(shè)計(jì)中為了保證密鑰的唯一性，將用戶身份認(rèn)證系統(tǒng)和數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)進(jìn)行融合，所以采用128位密鑰。AES加密/解密算法流程圖如圖3所示。

　　從圖中可以看出，AES加密/解密算法在執(zhí)行時(shí)，先對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，然后經(jīng)過(guò)多輪非線性變換，從而產(chǎn)生密文數(shù)據(jù)和解密數(shù)據(jù)。每輪非線性變換主要包括S盒變換、行變換、列變換、與拓展密鑰異或運(yùn)算4中操作。其中S盒變換是一種非線性變換，主要是將中間狀態(tài)矩陣與S盒中的字節(jié)進(jìn)行替代。S 盒設(shè)計(jì)采用查表方式，復(fù)雜度較高[4]。S盒變換后的矩陣第i位可由如下公式計(jì)算得到：

　　其中代表狀態(tài)矩陣中任意字節(jié)的第i位，代表經(jīng)S變換后對(duì)應(yīng)字節(jié)的第i位，代表二進(jìn)制序列的第i位。S盒變換示意圖如圖4所示。

　　該智能家居系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)采用友善之臂S3C2440作為硬件平臺(tái)，采用Linux系統(tǒng)架構(gòu)，在進(jìn)行身份認(rèn)證系統(tǒng)與數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先啟動(dòng)家庭網(wǎng)關(guān)，等待用戶登錄，當(dāng)通過(guò)驗(yàn)證后，網(wǎng)關(guān)將對(duì)用戶發(fā)送的指令進(jìn)行加密，從而完成相應(yīng)的控制，身份認(rèn)證系統(tǒng)與數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)算法流程圖如圖5所示。

　　4 結(jié)果分析

　　AES高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)也稱為分組加密算法是一種對(duì)稱密鑰的分組迭代加密算法[5]。AES數(shù)據(jù)加密算法是基于密碼的CBC模式進(jìn)行的，每個(gè)密文數(shù)據(jù)塊會(huì)和后續(xù)明文融合，采用該算法作為智能家居加密系統(tǒng)算法，可以解決傳統(tǒng)身份認(rèn)證技術(shù)

　　存在靜態(tài)密碼被盜、偽造服務(wù)器攻擊等問(wèn)題，有效提升了整個(gè)智能家居系統(tǒng)的通信安全問(wèn)題，但是算法存在的問(wèn)題是隨著輸入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的增加，該算法運(yùn)行的時(shí)間和時(shí)鐘周期將不斷增加，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的有效性，數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度最好越短越好，今后將在這方面加深研究，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與有效性。

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