物聯(lián)網(wǎng)傳感器透傳加密體系設(shè)計

□ 文 嚴(yán)麗娜 梁 璟 周常茂

0 引語

隨著云計算、大數(shù)據(jù)以及人工智能等前沿技術(shù)的迅速發(fā)展，萬物互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享等成為一種趨勢，對于物聯(lián)網(wǎng)安全方面要求也越來越高。如何有效利用傳感器網(wǎng)絡(luò)、融合互聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)優(yōu)勢技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)向遠(yuǎn)端安全、有效地傳輸，已成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展亟待解決的重要問題。

1 物聯(lián)網(wǎng)傳感器現(xiàn)狀分析

目前，傳感器網(wǎng)絡(luò)依托物聯(lián)網(wǎng)，在軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、交通控制等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。特別是傳感器隨機(jī)部署在復(fù)雜環(huán)境中，容易受到惡意攻擊。因此，安全問題已經(jīng)成為了物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)傳感器種類豐富

物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展中，物聯(lián)網(wǎng)傳感器的種類也豐富起來，溫度、濕度傳感器，壓力傳感器，氣體傳感器，光學(xué)傳感器，加速計，陀螺儀都已經(jīng)是老一代的傳感器了，新一代的傳感器功能更是復(fù)雜，例如無電池傳感器解決了物聯(lián)網(wǎng)傳感器更換電池麻煩的問題，綜合多種不同類型的傳感器混合成電能給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電，時間長達(dá)20年且不需要經(jīng)常去維護(hù)它。還有網(wǎng)狀傳感器，它比一般的傳感器更加貼合你的身體，但不會使你覺得不舒服。它具有難以計數(shù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)采集你的身體信息，能夠追蹤你身體的精確運(yùn)動。

1.2 傳輸數(shù)據(jù)類型多樣

物聯(lián)網(wǎng)傳感器收集的有很多數(shù)據(jù)類型，視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)等。由于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)具有海量性、復(fù)雜性，同時有部分?jǐn)?shù)據(jù)需要更高的保密性。例如軍事物聯(lián)網(wǎng)傳感器收集到的信息回傳到指揮所時，其中的傳輸路徑存在安全隱患，存在被人竊密的可能。這時候就亟需一種可靠的加密方式。

如果在傳感器上直接加裝加密機(jī)，由于傳感器種類多，結(jié)構(gòu)各不相同，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度將會特別大。而如果我們轉(zhuǎn)換一種思路，在傳輸路徑上的某處加裝加密板卡，則會最大程度上保障了數(shù)據(jù)的安全性，加密板卡作為傳感器的外附結(jié)構(gòu)，只需要設(shè)計對視頻、文本、音頻三種數(shù)據(jù)的加密即可實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)的加密。此技術(shù)可應(yīng)用于數(shù)據(jù)管理中心、重點(diǎn)試驗室等各種數(shù)據(jù)需要加密的場景，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程透明傳輸加密的體系結(jié)構(gòu)，可保障數(shù)據(jù)的安全性，降低成本，提高傳輸效率。由于數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，可以很好解決遠(yuǎn)傳傳感器端處理不了數(shù)據(jù)的問題。

2 物聯(lián)網(wǎng)傳感器透傳加密體系總體設(shè)計

本文提出物聯(lián)網(wǎng)傳感器遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)透傳加密技術(shù)體系，主要用于物聯(lián)網(wǎng)安全體系中的傳輸安全，利用加密機(jī)將傳感器終端收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時加密，最后通過封裝發(fā)送到傳輸信道上傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心端。如果不對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密則在傳輸過程中可能會泄露重要數(shù)據(jù)信息，所以需要這樣一種加密方案來增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。因為沒有對傳輸信道或者在傳輸過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行任何的處理，所以可以視為一種“透明”傳輸，但加上加密機(jī)后，此方案就可以安全高效地進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器透傳加密體系由傳感器（物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）和加密機(jī)組成，加密機(jī)主要由數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)加密處理，封裝發(fā)送幾個部分組成，通過有線或者無線的方式均可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊用軝C(jī)上，再由加密機(jī)統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)出去，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)傳感器透傳加密技術(shù)體系拓?fù)鋱D

方案第一步，圖像、音頻、視頻等數(shù)據(jù)包括不需要加密的數(shù)據(jù)會被傳感器收集至與加密機(jī)的傳輸接口處，再由數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行統(tǒng)一處理；第二步，加密機(jī)會根據(jù)不同的數(shù)字化和加密密級要求，對不同的數(shù)據(jù)采用不同的加密模型，不需要直接進(jìn)行加密的數(shù)據(jù)則一般不會直接通過其他加密方法；最后一步，將加密后的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并發(fā)送到傳輸信道上，通過傳輸信道交由數(shù)據(jù)中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 數(shù)據(jù)流設(shè)計

本文所提出的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)透傳加密技術(shù)主要作用于中間的網(wǎng)絡(luò)層，傳感器在感知層接收到感知的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的過程中，通過加載在芯片中的加密算法對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，從而達(dá)到安全傳輸?shù)哪康摹?/p>

加密機(jī)的每一個數(shù)據(jù)都會通過分組信號模塊把這些數(shù)據(jù)劃分成128bit的長度，然后傳輸至加密模塊，通過事先嵌入的AES算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，最后將加密后的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝發(fā)送到數(shù)據(jù)中心端。

4 算法選擇

當(dāng)前AES算法也是現(xiàn)階段改善計算機(jī)傳輸過程中安全性的主要算法之一。目前為了保障物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的安全能夠得到更好的優(yōu)化，可以使用AES加密算法，并且以AES算法作為相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，根據(jù)通用數(shù)據(jù)的類型，對算法分組長度，密鑰長度等內(nèi)容進(jìn)行合理設(shè)計。AES128和加密AES256主要的加密差異之處在于密鑰的數(shù)字長度不同（分別為128bits，256bits）、加密文件處理的密鑰輪數(shù)也不同（分別為10輪，14輪），后者的加密強(qiáng)度比前者更高。

5 算法設(shè)計

5.1 算法流程

AES是一種對稱加密算法，包含明文分組交換和非線性變換交換。AES加密和解密的算法流程，如圖2所示。

圖2 AES加解密流程圖

5.2 密鑰擴(kuò)展

密鑰復(fù)雜性是保障算法安全性的重中之重。例如，當(dāng)一個分組的長度與密鑰總數(shù)之間為128位，AES的加密計算方式就需要用10個子鍵重復(fù)10輪。AES鍵的擴(kuò)充目標(biāo)就在于把輸入128位鍵擴(kuò)充到11位128位的子鍵，流程如圖3所示。

圖3 密鑰擴(kuò)展流程圖

5.3 字節(jié)替換

字節(jié)的直接替換映射方法主要是通過使用函數(shù)SubBytes和函數(shù)S-box來直接完成一個從原始字節(jié)前的映射替換到另外一個原始字節(jié)的直接映射，如圖4所示。例如：其中當(dāng)一個新的字節(jié)66被直接替換后的映射值可以表示為，則s[6][6]=33，再通過函數(shù)s-1即可直接替換得到其所有被替換前的一個字節(jié)映射值，s-1[3][3]=66。主要操作為：state[x][x]=aes_sbox[state[x][x]>>4][state[x][x]&0x0F]。

圖4 字節(jié)替換流程圖

5.4 行位移

行位移先定義一個值t，t為行值，實(shí)現(xiàn)一個4×4矩陣內(nèi)部字節(jié)之間的置換，第一行保存不變，第二行循環(huán)左移1個字節(jié)，第三行循環(huán)左移2個字節(jié)，第四行循環(huán)左移3個字節(jié)。主要操作為：t=state[x][y];state[x][y1]=state[x][y2]，如圖5所示。

圖5 行位移流程圖

5.5 列混合

根據(jù)該矩陣的相位加和乘法，在列組合的整個過程中（把場gf（28）上的算術(shù)屬性代入），與各個數(shù)字節(jié)相對應(yīng)的值僅與列組4個數(shù)字節(jié)相關(guān)。mul的第二索引（列）是乘法因子。僅使用兩個不同系數(shù)：0x01、0x02、0x03、0x09、0x0b、0x0d和0x0e，但是1的乘法可以忽略不計。表格中的每一列，這些系數(shù)中的一個以值的升序（0x00到0xff）來表示，流程、代碼如圖6、7所示。必須注意以下幾點(diǎn)：

圖6 列混合流程圖

（1）將與字節(jié)相對應(yīng)的值加倍，將1比特的2值比特向左移位。若數(shù)值最大的比特為1（表示值在128以上），則移位后的結(jié)果必須是XOR00011011

（2）乘法對于加法滿足的分配比率

（3）此處的矩陣乘法不同于一般意義上的矩陣乘法，其中模塊2的加法（XOR運(yùn)算）用于每一值的加法。

圖7 列混合代碼

5.6 輪密鑰加

在加密過程中，每個回合的輸入都是用圓鍵（XOR是當(dāng)前分組和擴(kuò)展鍵的一部分）進(jìn)行XOR；由于二進(jìn)制連續(xù)排他邏輯和的結(jié)果是不變的，所以在解碼過程中可以通過最后一個回合鍵的異或來恢復(fù)輸入。該算法通過分組XOR加密（添加循環(huán)鍵），分組混亂擴(kuò)散（另外三個步驟）以及XOR加密。這種方法十分有效且安全，流程如圖8所示。

圖8 輪密鑰加流程圖

6 結(jié)語

本文提出的物聯(lián)網(wǎng)傳感器透傳加密體系可以應(yīng)用于各類物聯(lián)網(wǎng)傳感器上，利用網(wǎng)絡(luò)與陸、海、空、天等多維空間、不同種類的平臺傳感器融合在一起，將各物聯(lián)網(wǎng)傳感器，例如光學(xué)照相機(jī)、熱像儀、雷達(dá)等專用設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過透傳加密技術(shù)進(jìn)行加密，在傳感器到數(shù)據(jù)中心之間的信道中實(shí)現(xiàn)透明傳輸。它可以確保數(shù)據(jù)在信息傳輸時間和途中的保密性，是一種簡單、安全、高效的信息加密技術(shù)。