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)將會進(jìn)一步被推廣和應(yīng)用，文章針對智能家居系統(tǒng)在數(shù)據(jù)通信過程中出現(xiàn)的惡意攻擊、隱私泄露、身份盜用等網(wǎng)絡(luò)安全問題，提出了基于混沌加密算法的通信安全系統(tǒng)設(shè)計，采用AES加密算法為系統(tǒng)進(jìn)行加密設(shè)計，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。

　　《數(shù)字通信》(雙月刊)創(chuàng)刊于1974年，是由工業(yè)和信息化部主管、重慶郵電大學(xué)主辦、國內(nèi)外公開發(fā)行的、以數(shù)字通信為主要內(nèi)容的專業(yè)性技術(shù)學(xué)術(shù)期刊，是中國無線電電子學(xué)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫核心期刊。從2009年起，《數(shù)字通信》改版為大16開、96頁、雙月刊，以嶄新的面貌面向讀者。我們的辦刊宗旨：推動3G科技創(chuàng)新，服務(wù)通信行業(yè)發(fā)展。

　　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)施實現(xiàn)對家庭的家居設(shè)備進(jìn)行綜合性管理和控制以及實現(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)用于智能家居無線通信，具有易組網(wǎng)、低成本、低功耗、短時延、高安全等優(yōu)點[1]。采用 WiFi 技術(shù)，將控制主機(jī)與控制器分離開并通過 WiFi 網(wǎng)絡(luò)連接，達(dá)到了一對多控制的技術(shù)效果，移動終端可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了對家居的遠(yuǎn)程控制[2]。智能家居給人們生活帶來方便的同時，數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全問題也成為需要解決的重要問題。混沌加密技術(shù)具有對初值敏感、密鑰管理簡單等特點，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 對稱加密算法

　　AES融合高級數(shù)據(jù)加密算法具有算法公開、無需授權(quán)、計算量小、加密/解密速度快等特點[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，其分組長度常采用128位。

　　1.2 非對稱加密算法

　　非對稱加密算法在加密過程中采用公鑰，解密過程中采用私鑰，是一種雙密鑰加密技術(shù)，相對于對稱加密技術(shù)而言，其安全性更高，非對稱加密/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)硬件平臺為核心，依托ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件平臺來完成數(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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點核心控制器。由于采用ARM處理器，在系統(tǒng)開發(fā)過程中，由于CPU的主頻不是很高，同時要考慮到運(yùn)算精度、內(nèi)存容量等問題，對于數(shù)據(jù)加密方式的選擇就顯得尤為重要， 所以本設(shè)計中采用AES對稱加密算法。

　　2 智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 智能家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　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、控制對象等部分，主要實現(xiàn)基于智能終端對家用電器的遠(yuǎn)程控制、家庭安防報警系統(tǒng)控制、溫濕度監(jiān)測、瓦斯泄露監(jiān)測報警等功能，智能家居控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案圖如圖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)計使用友善之臂mini2440開發(fā)板作為核心控制平臺，通過ZigBee協(xié)調(diào)器對ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和控制， ZigBee節(jié)點連接相應(yīng)的傳感器對家居環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時采集，以便對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實時調(diào)整，以滿足用戶的需求，同時通過以太網(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

　　AES是一種對稱加密算法，該算法包含明文分組和非線性變換交換兩類操作，AES加密算法的密鑰長度分為128、192、256三種，本設(shè)計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，先對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，然后經(jīng)過多輪非線性變換，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，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)計過程中，首先啟動家庭網(wǎng)關(guān)，等待用戶登錄，當(dāng)通過驗證后，網(wǎng)關(guān)將對用戶發(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高級數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)也稱為分組加密算法是一種對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，每個密文數(shù)據(jù)塊會和后續(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)器攻擊等問題，有效提升了整個智能家居系統(tǒng)的通信安全問題，但是算法存在的問題是隨著輸入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的增加，該算法運(yùn)行的時間和時鐘周期將不斷增加，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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