通信工程師論文混沌加密算法在智能家居通信安全系統中的應用

　　隨著人們生活水平的提高，智能家居技術將會進一步被推廣和應用，文章針對智能家居系統在數據通信過程中出現的惡意攻擊、隱私泄露、身份盜用等網絡安全問題，提出了基于混沌加密算法的通信安全系統設計，采用AES加密算法為系統進行加密設計，可以有效抵御靜態口令丟失、偽服務器攻擊等安全威脅，進而提高了系統保密性，使智能家居系統中的數據傳輸更加安全。

　　《江蘇通信》(雙月刊)創刊于1985年，由江蘇省通信學會主辦。本刊“立足江蘇通信行業，面向世界通信發展，報道最新科技成果，開展學術技術培訓交流”。榮獲1989、1993、1996、1998、2002年連續五屆被評為通信行業優秀科技期刊、1999年江蘇省優秀期刊。

　　智能家居控制系統是電子技術、通信技術、互聯網+技術等交叉融合的綜合控制系統，利用各種先進的技術和設施實現對家庭的家居設備進行綜合性管理和控制以及實現家庭的防監控等功能，隨著人們生活水平的提高，智能家居技術將會進一步被推廣和應用。ZigBee 技術最適合應用于智能家居無線通信，具有易組網、低成本、低功耗、短時延、高安全等優點[1]。采用 WiFi 技術，將控制主機與控制器分離開并通過 WiFi 網絡連接，達到了一對多控制的技術效果，移動終端可以通過互聯網實現了對家居的遠程控制[2]。智能家居給人們生活帶來方便的同時，數據在傳輸過程中的安全問題也成為需要解決的重要問題。混沌加密技術具有對初值敏感、密鑰管理簡單等特點，將其應用于智能家居數據保密傳輸系統中，具有良好的加密效果。

　　1 數據加密算法選擇

　　1.1 對稱加密算法

　　AES融合高級數據加密算法具有算法公開、無需授權、計算量小、加密/解密速度快等特點[3]。采用相同的密鑰進行加密/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，相對于對稱加密技術而言，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

　　本設計中的智能家居控制系統，采用ARM處理器作為核心控制器，以植入嵌入式系統的家庭網關硬件平臺為核心，依托ZigBee無線傳感網絡硬件平臺來完成數據采集和控制指令的執行，采用S3C2440A作為核心處理器，用DM900作為網絡接口芯片，使用 TI公司CC2530 芯片作為ZigBee無線傳感器網絡的節點核心控制器。由于采用ARM處理器，在系統開發過程中，由于CPU的主頻不是很高，同時要考慮到運算精度、內存容量等問題，對于數據加密方式的選擇就顯得尤為重要， 所以本設計中采用AES對稱加密算法。

　　2 智能家居控制系統設計

　　2.1 智能家居控制系統總體設計方案

　　智能家居控制系統一般包括核心控制器、ZigBee協調器、智能終端、控制對象等部分，主要實現基于智能終端對家用電器的遠程控制、家庭安防報警系統控制、溫濕度監測、瓦斯泄露監測報警等功能，智能家居控制系統總體設計方案圖如圖1所示。

　　智能家居控制系統中的網關作為核心控制設備，主要承擔著通信系統中的認證服務和密鑰產生的功能。本設計使用友善之臂mini2440開發板作為核心控制平臺，通過ZigBee協調器對ZigBee無線傳感網絡進行管理和控制， ZigBee節點連接相應的傳感器對家居環境參數進行實時采集，以便對室內環境進行實時調整，以滿足用戶的需求，同時通過以太網完成與遠程終端的數據傳輸。系統硬件結構圖如圖2所示。

　　3 AES數據加密算法及系統設計

　　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，本設計中為了保證密鑰的唯一性，將用戶身份認證系統和數據加密系統進行融合，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/解密算法在執行時，先對輸入數據進行分組，然后經過多輪非線性變換，從而產生密文數據和解密數據。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，主要是將中間狀態矩陣與S盒中的字節進行替代。S 盒設計采用查表方式，復雜度較高[4]。S盒變換后的矩陣第i位可由如下公式計算得到：

　　其中代表狀態矩陣中任意字節的第i位，代表經S變換后對應字節的第i位，代表二進制序列的第i位。S盒變換示意圖如圖4所示。

　　該智能家居系統的嵌入式網關采用友善之臂S3C2440作為硬件平臺，采用Linux系統架構，在進行身份認證系統與數據加密系統設計過程中，首先啟動家庭網關，等待用戶登錄，當通過驗證后，網關將對用戶發送的指令進行加密，從而完成相應的控制，身份認證系統與數據加密系統算法流程圖如圖5所示。

　　4 結果分析

　　AES高級數據加密標準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數據加密算法是基于密碼的CBC模式進行的，每個密文數據塊會和后續明文融合，采用該算法作為智能家居加密系統算法，可以解決傳統身份認證技術

　　存在靜態密碼被盜、偽造服務器攻擊等問題，有效提升了整個智能家居系統的通信安全問題，但是算法存在的問題是隨著輸入數據字節數的增加，該算法運行的時間和時鐘周期將不斷增加，為了提高系統運行的有效性，數據幀的長度最好越短越好，今后將在這方面加深研究，提高系統運行的穩定性與有效性。

　　參考文獻：

　　[1] 戴澤淼.基于ZigBee嵌入式智能家居控制系統的設計與實現[J].吉林師范大學學報，2015，5：87-90.

　　[2] 蔡正保.一種基于互聯網的遠程家居控制裝置的設計[J].齊齊哈爾大學學報，2016，32(2)：53-55.

　　[3] 冷飛，徐進華. RSA融合AES算法的網絡信息安全方法[J].華僑大學學報，2017，38(1)：117-118.

　　[4] 趙君. 基于64位處理器的Android 平臺優化AES加密算法[J].哈爾濱理工大學學報，2017，22(3)：8-10.

　　[5] 曹曉麗，王愛強.AES算法研究[J].洛陽師范學院學報，2013，6(2)：56-57.

　　[6] 錢志鴻，王義君.物聯網技術與應用研究[J].電子學報，2012，40(5)： 1023-1029.