基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)安全通信研究

　　摘要：目前基于無(wú)線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)給人們帶來(lái)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(hù)。針對(duì)無(wú)線通信中數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種智能家居系統(tǒng)及其安全通信方法，即設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，規(guī)劃了外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)。內(nèi)網(wǎng)的家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)采集信息并采用ZigBee通信方式，其它設(shè)備采用WiFi通信方式。路由器部署為MQTT服務(wù)器，手機(jī)等控制設(shè)備為MQTT客戶端，并在服務(wù)器上進(jìn)行SSL通信相關(guān)的配置、設(shè)計(jì)客戶端程序。每次外部網(wǎng)絡(luò)的MQTT客戶端訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)，先采用安全的內(nèi)網(wǎng)穿透方案ZeroTier連接到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)SSL協(xié)議產(chǎn)生公鑰和證書，進(jìn)行安全通信。提出基于L-P混沌系統(tǒng)交叉擴(kuò)散方法產(chǎn)生AES初始輪密鑰，并用于ZigBee安全通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為外網(wǎng)MQTT客戶端和服務(wù)器可以連接到一個(gè)ZeroTier網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)SSL協(xié)議安全通信;ZigBee通信方式達(dá)到了加密效果，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)AES算法，加密時(shí)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(diǎn)平均剩余能量提高了30.22%。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的通信方法安全,且具有應(yīng)用性。

　　關(guān)鍵詞：智能家居;WiFi通信方式;ZigBee通信方式;MQTT服務(wù)器;混沌系統(tǒng)

　　0引言

　　基于無(wú)線組網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，便于安裝、擴(kuò)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(shù)最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)使用兩節(jié)干電池可工作0.5-2年，Zigbee芯片價(jià)格較低[2]，因此，ZigBee技術(shù)能很好的滿足智能家居的應(yīng)用場(chǎng)景[3]。此外，MQTT(消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議)是一種低開銷[4]、低帶寬的即時(shí)通信協(xié)議[5]，可以為遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)[6]，易于實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制[7]。伴隨通信技術(shù)的引入，智能家居也遭到了大量的網(wǎng)絡(luò)威脅，用戶信息在傳輸過(guò)程中容易被竊取和篡改，迫切需要解決數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全問(wèn)題[8]。

　　文獻(xiàn)[9]提出了一種內(nèi)網(wǎng)穿透控制智能家居設(shè)備的方案，手機(jī)APP和家庭路由器之間采用ZeroTier方案進(jìn)行P2P內(nèi)網(wǎng)穿透的通信，保證了安全性，提高了遠(yuǎn)程控制響應(yīng)速度，但未涉及家居設(shè)備間的安全通信方法。文獻(xiàn)[10]以智能終端遠(yuǎn)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(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的防護(hù)手段，重點(diǎn)給出了認(rèn)證、加密、安全傳輸協(xié)議的應(yīng)用分析，但未進(jìn)行應(yīng)用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[11]將智能家居的安全問(wèn)題劃分為平臺(tái)安全、設(shè)備安全、通信安全，分析了他們的研究現(xiàn)狀，并提出了未來(lái)的研究方向。

　　文獻(xiàn)[12]提出了融合身份認(rèn)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(luò)通信，采用一次口令認(rèn)證登錄，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信通過(guò)動(dòng)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(wèn)題，但輸入數(shù)據(jù)量增加，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間會(huì)增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效性有待提高。文獻(xiàn)[13]實(shí)時(shí)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(shí)空開銷低，可以適應(yīng)健康智能家居系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理要求，但密鑰的隨機(jī)性有待改進(jìn)。

　　因此，考慮到Logistic混沌映射產(chǎn)生的變量具有較強(qiáng)的遍歷性[14]、較好的隨機(jī)性[15]，如文獻(xiàn)[16]改進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)Logistic混沌映射，提高了種群多樣性，改善了教育學(xué)優(yōu)化算法的精度和效率。綜合分析以上文獻(xiàn)本文設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，部署了系統(tǒng)的MQTT服務(wù)器和客戶端，并設(shè)計(jì)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(kuò)散方法產(chǎn)生AES初始輪密鑰，并用于家居設(shè)備之間的ZigBee安全通信。

　　1系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及安全通信方法研究

　　1.1系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)包括內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部互聯(lián)網(wǎng)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)便于用戶在家控制家居設(shè)備，外部網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小、傳輸距離短、節(jié)點(diǎn)多，采用ZigBee協(xié)議通信方式，外部網(wǎng)絡(luò)采用安全的內(nèi)網(wǎng)穿透方案ZeroTier，并基于MQTT協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。路由器作為MQTT服務(wù)器，Android手機(jī)和Z-W控制器作為MQTT客戶端，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器采集室內(nèi)的溫度、光照等信息，并通過(guò)ZigBee協(xié)議發(fā)送給Z-W控制器，Z-W控制器再通過(guò)WiFi發(fā)送給MQTT服務(wù)器。

　　Android手機(jī)是控制設(shè)備，可以發(fā)送控制信息給MQTT服務(wù)器，MQTT服務(wù)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(shè)備進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，如開啟或關(guān)閉窗簾、開/關(guān)電燈等。因此，系統(tǒng)主要包括MQTT客戶端和服務(wù)器之間的通信、ZigBee節(jié)點(diǎn)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(wù)器之間的安全通信

　　Andriod手機(jī)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(guò)用戶名和密碼登陸服務(wù)器，MQTT服務(wù)器啟用SSL安全連接，處于非家居內(nèi)網(wǎng)的Andriod手機(jī)1使用內(nèi)網(wǎng)穿透方案ZeroTier，實(shí)現(xiàn)在加密安全的全球點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)對(duì)等網(wǎng)上進(jìn)行分布式的管理。 2)通信平臺(tái)構(gòu)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(wù)器mosquitto軟件，并客戶端用戶名、密碼，配置SSL，實(shí)現(xiàn)MQTT客戶端和服務(wù)器的安全通信，搭建ZeroTier網(wǎng)絡(luò)，安裝ZeroTier客戶端軟件，實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)的Andriod手機(jī)安全訪問(wèn)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(hào)對(duì)應(yīng)的開發(fā)版系統(tǒng)(2)獲取SSH工具(3)獲取路由器的root權(quán)限(4)刷入OpenWrt系統(tǒng)步驟2：服務(wù)器mosquito軟件安裝及配置(1)通過(guò)putty軟件，使用SSH協(xié)議登陸到路由器，通過(guò)以下命令安裝mosquitto服務(wù)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(wèn)權(quán)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(jī)和Z-W控制器分別設(shè)置用戶名、密碼，假設(shè)Andriod手機(jī)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(quán)限在/etc/mosquito/目錄下，新建一個(gè)文件aclfile，添加命令，指定所有MQTT用戶對(duì)所有主題都有讀寫權(quán)限，以便訂閱或發(fā)布家居系統(tǒng)的信息。

　　步驟3：配置通過(guò)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(wù)器產(chǎn)生一個(gè)私鑰文件server.key，并設(shè)置加密方式opensslgenrsa-outserver.key2048opensslgenrsa-des3-outserver.key2048第3步：為MQTT服務(wù)器產(chǎn)生一個(gè)簽發(fā)證書的請(qǐng)求文件“server.csr”opensslreq-outserver.csr-keyserver.key-new第4步：為mosquittoserver產(chǎn)生一個(gè)證書文件opensslx509-req-inserver.csr-CAca.crt-CAkeyca.key-CAcreateserial-outserver.crt-days36500第5步：重復(fù)a-f步，為3個(gè)MQTT客戶端生成證書文件。

　　步驟3：搭建ZeroTier網(wǎng)絡(luò)(1)在ZeroTier官網(wǎng)先注冊(cè)賬號(hào)。(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(jī)1上。(3)網(wǎng)頁(yè)登錄個(gè)人賬號(hào)工作面板，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)ID。(4)在使用環(huán)境中運(yùn)行ZeroTierOne軟件，加入創(chuàng)建好的網(wǎng)絡(luò)ID。(5)在工作面板上授權(quán)各客戶端的連接，分配虛擬局域網(wǎng)IP。

　　(6)網(wǎng)絡(luò)連通測(cè)試。由路由器向手機(jī)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(shí)現(xiàn)方法Android手機(jī)和Z-W控制器都是MQTT客戶端，而且Android手機(jī)是控制端，它們之間通過(guò)路由器實(shí)現(xiàn)通信，因此，Android手機(jī)和Z-W控制器都需要設(shè)計(jì)MQTT客戶端程序，本文使用AndroidStudio設(shè)計(jì)Android手機(jī)MQTT客戶端程序，采用Arduino開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)Z-W控制器的MQTT客戶端程序。

　　設(shè)計(jì)完成后，Android手機(jī)1采用ZeroTier技術(shù)分配的虛擬局域網(wǎng)IP地址，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連通后，從手機(jī)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(wù)器收到這個(gè)消息后，轉(zhuǎn)發(fā)給Z-W控制模塊從而控制家居設(shè)備，從而控制ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。

　　1.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)的安全通信

　　由系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(diǎn)統(tǒng)稱ZigBee節(jié)點(diǎn)，組成了ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)改進(jìn)的Z-Stack協(xié)議棧AES加密算法實(shí)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(rèn)的初始輪密鑰，所有ZigBee節(jié)點(diǎn)開啟AES加密算法后，可以設(shè)置協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送初始輪密鑰，它們之間通過(guò)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(jī)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(shè)置，由Logistic、PWLCM混沌映射交叉擴(kuò)散生成，為了保證密鑰的隨機(jī)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(guò)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(diǎn)，ZigBee節(jié)點(diǎn)接收后，進(jìn)行數(shù)字簽名驗(yàn)證，驗(yàn)證無(wú)誤后，再將輪密鑰作為初始輪密鑰進(jìn)行AES加密或解密。

　　2實(shí)驗(yàn)與分析

　　針對(duì)前面所述MQTT客戶端和服務(wù)器、ZigBee節(jié)點(diǎn)的安全通信方法，本節(jié)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

　　2.1MQTT客戶端和服務(wù)器的通信方法實(shí)驗(yàn)按1.2.2所述構(gòu)建通信平臺(tái)，將路由器部署為MQTT服務(wù)器，建立ZeroTier網(wǎng)絡(luò)，使外網(wǎng)的MQTT客戶端以P2P方式和MQTT服務(wù)器同在一個(gè)局域網(wǎng)中，然后通過(guò)mosquitto的SSL產(chǎn)生公鑰和證書，進(jìn)行安全通信。

　　3結(jié)論

　　針對(duì)智能家居目前的安全問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新的智能家居組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用WiFi和ZigBee技術(shù)通信，將路由器部署為MQTT服務(wù)器，路由器上配置安全方案，實(shí)現(xiàn)MQTT客戶端和服務(wù)器安全通信，既節(jié)約了成本又提高了安全性。同時(shí)家居設(shè)備通過(guò)ZigBee技術(shù)進(jìn)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(jìn)行交叉擴(kuò)散，產(chǎn)生AES初始輪密鑰，來(lái)提升AES算法的安全性，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)AES算法，改進(jìn)的加密算法運(yùn)行時(shí)間較短，能耗和通信延遲小，具有應(yīng)用性。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]魯玉軍,劉振.ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2017,7(004):40-43.

　　[2]楊蒲菊.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2019,15(09):96-97.

　　[3]JOSEAC,MALEKIANR.ImprovingSmartHomeSecurity:IntegratingLogicalSensingintoSmartHome[J].IEEESensorsJournal,2017,17(13):4269-4286.

　　[4]盧阿麗,顧德林,張劍書,等.基于MQTT和ILZ4壓縮法的智慧能源云平臺(tái)[J].控制工程,2020,181(01):176-183.

　　[5]陳文藝,高婧,楊輝.基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2020,25(03):30-36.

　　作者：王海珍1廉佐政1谷文成2

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