江治國

摘要：隨著人們生活水平的提高，智能家居技術(shù)將會進一步被推廣和應(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。

關(guān)鍵詞：智能家居；數(shù)據(jù)通信；混沌加密算法；AES

中圖分類號：TN918.91 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）11-0042-02

Application of Chaotic Encryption Algorithm in Intelligent Home Communication Security System

JIANG Zhi-guo

（Anhui Vocational College of Defense Technology， Luan 237011， China）

Abstract： With the improvement of people's living standards， intelligent home technology will be further popularized and applied. In view of the cybersecurity problems such as malicious attacks， privacy leaks and identity theft that appear in the process of data communication of intelligent home system， it puts forward the communication security system design based on encryption algorithm. AES encryption algorithm is adopted for the system encryption design， which can effectively resist loss of static password， pseudo-server attacks and other security threats and enhance confidentiality of the system， thus making data transmission of intelligent home system become more secure.

Key words： intelligent home； data transmission； chaotic encryption algorithm； AES

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)，利用各種先進的技術(shù)和設(shè)施實現(xiàn)對家庭的家居設(shè)備進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)，將控制主機與控制器分離開并通過 WiFi 網(wǎng)絡(luò)連接，達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?；煦缂用芗夹g(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(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)進行實時采集，以便對室內(nèi)環(huán)境進行實時調(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，將用戶身份認證系統(tǒng)和數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)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(zhí)行時，先對輸入數(shù)據(jù)進行分組，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)，在進行身份認證系統(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，當通過驗證后，網(wǎng)關(guān)將對用戶發(fā)送的指令進行加密，從而完成相應(yīng)的控制，身份認證系統(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(shù)據(jù)加密算法是基于密碼的CBC模式進行的，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，該算法運行的時間和時鐘周期將不斷增加，為了提高系統(tǒng)運行的有效性，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)運行的穩(wěn)定性與有效性。

參考文獻：

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