本文摘要：摘要：目前基于無線技術的智能家居系統(tǒng)給人們帶來了舒適和便利，但系統(tǒng)容易遭受攻擊，有較多的隱私數(shù)據(jù)需要保護。針對無線通信中數(shù)據(jù)安全問題，設計了一種智能家居系統(tǒng)及其安全通信方法，即設計了系統(tǒng)的組網(wǎng)結構，規(guī)劃了外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)。內(nèi)網(wǎng)的家居設備節(jié)點采集信息并采用Z
摘要：目前基于無線技術的智能家居系統(tǒng)給人們帶來了舒適和便利，但系統(tǒng)容易遭受攻擊，有較多的隱私數(shù)據(jù)需要保護。針對無線通信中數(shù)據(jù)安全問題，設計了一種智能家居系統(tǒng)及其安全通信方法，即設計了系統(tǒng)的組網(wǎng)結構，規(guī)劃了外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)。內(nèi)網(wǎng)的家居設備節(jié)點采集信息并采用ZigBee通信方式，其它設備采用WiFi通信方式。路由器部署為MQTT服務器，手機等控制設備為MQTT客戶端，并在服務器上進行SSL通信相關的配置、設計客戶端程序。每次外部網(wǎng)絡的MQTT客戶端訪問服務器時，先采用安全的內(nèi)網(wǎng)穿透方案ZeroTier連接到內(nèi)部網(wǎng)絡，再通過SSL協(xié)議產(chǎn)生公鑰和證書，進行安全通信。提出基于L-P混沌系統(tǒng)交叉擴散方法產(chǎn)生AES初始輪密鑰，并用于ZigBee安全通信。實驗結果為外網(wǎng)MQTT客戶端和服務器可以連接到一個ZeroTier網(wǎng)絡，并通過SSL協(xié)議安全通信;ZigBee通信方式達到了加密效果，相對標準AES算法，加密時間短、平均端到端通信延遲小，分別降低了3.77%和28.5%，且能量消耗少，節(jié)點平均剩余能量提高了30.22%。因此，實驗結果表明，本文提出的通信方法安全,且具有應用性。
關鍵詞：智能家居;WiFi通信方式;ZigBee通信方式;MQTT服務器;混沌系統(tǒng)
0引言
基于無線組網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，便于安裝、擴展，使人們生活更加便利和智能。大容量、低功耗、低成本是智能家居的重要需求[1]，Zigbee技術最多可組成65000個節(jié)點的網(wǎng)絡，節(jié)點使用兩節(jié)干電池可工作0.5-2年，Zigbee芯片價格較低[2]，因此，ZigBee技術能很好的滿足智能家居的應用場景[3]。此外，MQTT(消息隊列遙測傳輸協(xié)議)是一種低開銷[4]、低帶寬的即時通信協(xié)議[5]，可以為遠程設備提供實時可靠的消息服務[6]，易于實現(xiàn)智能家居設備的遠程控制[7]。伴隨通信技術的引入，智能家居也遭到了大量的網(wǎng)絡威脅，用戶信息在傳輸過程中容易被竊取和篡改，迫切需要解決數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全問題[8]。
文獻[9]提出了一種內(nèi)網(wǎng)穿透控制智能家居設備的方案，手機APP和家庭路由器之間采用ZeroTier方案進行P2P內(nèi)網(wǎng)穿透的通信，保證了安全性，提高了遠程控制響應速度，但未涉及家居設備間的安全通信方法。文獻[10]以智能終端遠程控制的智能家居系統(tǒng)為模型，分析了智能家居的安全風險問題，并提出了相應的防護手段，重點給出了認證、加密、安全傳輸協(xié)議的應用分析，但未進行應用相關的實驗。文獻[11]將智能家居的安全問題劃分為平臺安全、設備安全、通信安全，分析了他們的研究現(xiàn)狀，并提出了未來的研究方向。
文獻[12]提出了融合身份認證和AES算法的智能家居通信安全系統(tǒng)，系統(tǒng)的外部網(wǎng)絡通信，采用一次口令認證登錄，內(nèi)部網(wǎng)絡通信通過動態(tài)生成128位密鑰的AES算法加密，提高了系統(tǒng)保密性，保證系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸更加安全，有效解決了智能家居的安全通信問題，但輸入數(shù)據(jù)量增加，系統(tǒng)運行時間會增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效性有待提高。文獻[13]實時提取、處理人體脈搏特征數(shù)據(jù)，生成128位密鑰，然后使用ECC加密密鑰、AES算法加密原始數(shù)據(jù)，時空開銷低，可以適應健康智能家居系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理要求，但密鑰的隨機性有待改進。
因此，考慮到Logistic混沌映射產(chǎn)生的變量具有較強的遍歷性[14]、較好的隨機性[15]，如文獻[16]改進了標準Logistic混沌映射，提高了種群多樣性，改善了教育學優(yōu)化算法的精度和效率。綜合分析以上文獻本文設計了一種基于ZigBee智能家居系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)的安全通信方法。首先給出了系統(tǒng)的組網(wǎng)結構，部署了系統(tǒng)的MQTT服務器和客戶端，并設計了他們之間的安全通信方案。然后，提出基于L-P混沌系統(tǒng)交叉擴散方法產(chǎn)生AES初始輪密鑰，并用于家居設備之間的ZigBee安全通信。
1系統(tǒng)組網(wǎng)結構及安全通信方法研究
1.1系統(tǒng)組網(wǎng)結構設計
系統(tǒng)包括內(nèi)部網(wǎng)絡和外部互聯(lián)網(wǎng)，內(nèi)部網(wǎng)絡便于用戶在家控制家居設備，外部網(wǎng)絡用于實現(xiàn)遠程控制，內(nèi)部網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小、傳輸距離短、節(jié)點多，采用ZigBee協(xié)議通信方式，外部網(wǎng)絡采用安全的內(nèi)網(wǎng)穿透方案ZeroTier，并基于MQTT協(xié)議進行遠程控制。路由器作為MQTT服務器，Android手機和Z-W控制器作為MQTT客戶端，內(nèi)部網(wǎng)絡的ZigBee終端節(jié)點通過傳感器采集室內(nèi)的溫度、光照等信息，并通過ZigBee協(xié)議發(fā)送給Z-W控制器，Z-W控制器再通過WiFi發(fā)送給MQTT服務器。
Android手機是控制設備，可以發(fā)送控制信息給MQTT服務器，MQTT服務器再發(fā)送給Z-W控制器，Z-W控制器依據(jù)接收的控制信息，控制家居設備進行相應動作，如開啟或關閉窗簾、開/關電燈等。因此，系統(tǒng)主要包括MQTT客戶端和服務器之間的通信、ZigBee節(jié)點之間的通信，下面分別介紹它們之間的安全通信方法。
1.2MQTT客戶端和服務器之間的安全通信
Andriod手機和Z-W控制器之間使用MQTT協(xié)議通信，需要研究MQTT協(xié)議的安全性。本文的安全通信體現(xiàn)在MQTT客戶端通過用戶名和密碼登陸服務器，MQTT服務器啟用SSL安全連接，處于非家居內(nèi)網(wǎng)的Andriod手機1使用內(nèi)網(wǎng)穿透方案ZeroTier，實現(xiàn)在加密安全的全球點對點(P2P)對等網(wǎng)上進行分布式的管理。 2)通信平臺構建路由器上刷OpenWrt系統(tǒng)，以小米路由器mini為例，刷OpenWrt18.06，安裝MQTT服務器mosquitto軟件，并客戶端用戶名、密碼，配置SSL，實現(xiàn)MQTT客戶端和服務器的安全通信，搭建ZeroTier網(wǎng)絡，安裝ZeroTier客戶端軟件，實現(xiàn)外網(wǎng)的Andriod手機安全訪問內(nèi)網(wǎng)的Z-W控制器。
主要步驟：步驟1：路由器刷OpenWrt系統(tǒng)(1)刷入與路由器型號對應的開發(fā)版系統(tǒng)(2)獲取SSH工具(3)獲取路由器的root權限(4)刷入OpenWrt系統(tǒng)步驟2：服務器mosquito軟件安裝及配置(1)通過putty軟件，使用SSH協(xié)議登陸到路由器，通過以下命令安裝mosquitto服務器軟件opkginstallmosquito(2)配置MQTT客戶端登陸的用戶名和密碼第1步：修改mosquitto.conf配置文件內(nèi)容，禁止匿名用戶登陸，使用密碼文件password_file、訪問權限列表文件acl_file。
allow_anonymousfalsepassword_file/etc/mosquito/pwfileacl_file/etc/mosquittto/aclfile第2步：添加用戶名和密碼為MQTT客戶端Andriod手機和Z-W控制器分別設置用戶名、密碼，假設Andriod手機的用戶名、密碼都為samqtt，則配置用戶名的命令如下：mosquito_passwd-c/etc/mosquito/pwfilesamqtt按提示輸入2次密碼即可。第3步：添加用戶的主題控制權限在/etc/mosquito/目錄下，新建一個文件aclfile，添加命令，指定所有MQTT用戶對所有主題都有讀寫權限，以便訂閱或發(fā)布家居系統(tǒng)的信息。
步驟3：配置通過ssl通信首先，安裝openssl然后，按以下步驟產(chǎn)生證書文件第1步：產(chǎn)生CA的公鑰和證書文件opensslreq-new-x509-days36500-extensionsv3_ca-keyoutca.key-outca.crt第2步：為MQTT服務器產(chǎn)生一個私鑰文件server.key，并設置加密方式opensslgenrsa-outserver.key2048opensslgenrsa-des3-outserver.key2048第3步：為MQTT服務器產(chǎn)生一個簽發(fā)證書的請求文件“server.csr”opensslreq-outserver.csr-keyserver.key-new第4步：為mosquittoserver產(chǎn)生一個證書文件opensslx509-req-inserver.csr-CAca.crt-CAkeyca.key-CAcreateserial-outserver.crt-days36500第5步：重復a-f步，為3個MQTT客戶端生成證書文件。
步驟3：搭建ZeroTier網(wǎng)絡(1)在ZeroTier官網(wǎng)先注冊賬號。(2)下載OpenWrt系統(tǒng)、Android系統(tǒng)的ZeroTier客戶端軟件，并分別安裝到路由器、Android手機1上。(3)網(wǎng)頁登錄個人賬號工作面板，創(chuàng)建網(wǎng)絡ID。(4)在使用環(huán)境中運行ZeroTierOne軟件，加入創(chuàng)建好的網(wǎng)絡ID。(5)在工作面板上授權各客戶端的連接，分配虛擬局域網(wǎng)IP。
(6)網(wǎng)絡連通測試。由路由器向手機IPv4地址發(fā)送PING包，若建立起了P2P通道，則可PING通。3)安全通信方案實現(xiàn)方法Android手機和Z-W控制器都是MQTT客戶端，而且Android手機是控制端，它們之間通過路由器實現(xiàn)通信，因此，Android手機和Z-W控制器都需要設計MQTT客戶端程序，本文使用AndroidStudio設計Android手機MQTT客戶端程序，采用Arduino開發(fā)環(huán)境設計Z-W控制器的MQTT客戶端程序。
設計完成后，Android手機1采用ZeroTier技術分配的虛擬局域網(wǎng)IP地址，進行網(wǎng)絡連通后，從手機APP發(fā)布的MQTT消息內(nèi)網(wǎng)穿透后，直接以P2P方式傳到路由器，路由器上MQTT服務器收到這個消息后，轉(zhuǎn)發(fā)給Z-W控制模塊從而控制家居設備，從而控制ZigBee終端節(jié)點。
1.3ZigBee網(wǎng)絡的安全通信
由系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構可知，Z-W控制器既包括WiFi模塊，也包括ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，后者和ZigBee終端節(jié)點統(tǒng)稱ZigBee節(jié)點，組成了ZigBee網(wǎng)絡，通過改進的Z-Stack協(xié)議棧AES加密算法實現(xiàn)它們之間的安全通信。Z-Stack協(xié)議棧中文件nwk_global.c給出了默認的初始輪密鑰，所有ZigBee節(jié)點開啟AES加密算法后，可以設置協(xié)調(diào)器節(jié)點向各個節(jié)點發(fā)送初始輪密鑰，它們之間通過AES加密算法通信，提高安全性。但是AES加密算法的初始輪密鑰不具有隨機性，容易破解。
初始輪密鑰由ZigBee協(xié)調(diào)器產(chǎn)生，每隔10分鐘，或重啟后輪密鑰都重新設置，由Logistic、PWLCM混沌映射交叉擴散生成，為了保證密鑰的隨機性，Logistic混沌映射、PWLCM混沌映射先分別迭代若干次。ZigBee協(xié)調(diào)器產(chǎn)生輪密鑰后，將其通過MD5函數(shù)生數(shù)字簽名，并將輪密鑰及其數(shù)字簽名發(fā)送給其它所有Zigbee節(jié)點，ZigBee節(jié)點接收后，進行數(shù)字簽名驗證，驗證無誤后，再將輪密鑰作為初始輪密鑰進行AES加密或解密。
2實驗與分析
針對前面所述MQTT客戶端和服務器、ZigBee節(jié)點的安全通信方法，本節(jié)進行了實驗。
2.1MQTT客戶端和服務器的通信方法實驗按1.2.2所述構建通信平臺，將路由器部署為MQTT服務器，建立ZeroTier網(wǎng)絡，使外網(wǎng)的MQTT客戶端以P2P方式和MQTT服務器同在一個局域網(wǎng)中，然后通過mosquitto的SSL產(chǎn)生公鑰和證書，進行安全通信。
3結論
針對智能家居目前的安全問題，本文設計了一種新的智能家居組網(wǎng)結構，采用WiFi和ZigBee技術通信，將路由器部署為MQTT服務器，路由器上配置安全方案，實現(xiàn)MQTT客戶端和服務器安全通信，既節(jié)約了成本又提高了安全性。同時家居設備通過ZigBee技術進行通信，為了提高安全性，基于Logistic混沌系統(tǒng)和PWLCM混沌系統(tǒng)進行交叉擴散，產(chǎn)生AES初始輪密鑰，來提升AES算法的安全性，經(jīng)過實驗分析，相對標準AES算法，改進的加密算法運行時間較短，能耗和通信延遲小，具有應用性。
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作者：王海珍1廉佐政1谷文成2
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