远程监控系统台站端与服务端加密通信的设计方案

李敏盛 钟坚 梁磊

（1.广西广播电视无线传播枢纽台;2广西广电网络股份有限公司崇左分公司）

1 引言

随着业务的发展，广播电视远程监控系统的数据通讯也将逐渐从现有的2M私有SDH光纤网络转移到带宽资源更充裕的IP数据承载网中，但该承载网也有其他单位和企业在使用，本单位的监控数据有可能在中途被截获、泄露，甚至被篡改，将有可能会影响广播电视的安全播出，还有可能带来严重的负面影响。为解决这个信息安全问题，本文提出了一种基于物联网平台Android Things实现台站端与服务端加密通信传输的设计方案。

2 术语解释

2.1 对称加密

对称加密采用同一个密钥对数据进行加解密，也称单密钥加密，优点是加解密速度快、效率高；缺点是在传送数据前，加密方和解密方得商定好密钥，如果某一方的密钥被泄露，那么加密的数据就不安全了。

2.2 非对称加密

非对称加密算法是生成两个钥匙（公钥和私钥），使用公钥对数据进行加密，使用私钥进行解密。例如设备A要向设备B发送隐秘数据，且只能是设备B才能解读，这时设备B先生成一对密钥，将公钥发给A，设备A使用公钥对明文数据加密，再将加密后的数据传送给B，设备B将收到的信息使用私钥进行解密，即使A发送的消息中途被截获，因没有私钥进行解密，数据就无法解读。优点是安全性相对于对称加密更好，缺点是加密和解密需要的时间久、速度慢。

2.3 AES加密算法

AES全称为高级加密标准（Advanced Encryption Standard），是对称加密的一种。

2.4 RSA加密算法

RSA是非对称加密算法，算法可靠性来源于欧拉定理，对极大整数做因数分解，只要其密钥的长度足够长，加密的数据几乎是不可能被解破的。

2.5 Android Things

图1

Android Things是基于Android，主要运用于物联网嵌入式设备的操作系统，使用Weave协议与外部的传感器/设备进行对话。Android Things已经支持Raspberry Pi 3 、 Intel Edison、NXP Pico 等硬件平台，还可以基于TensorFlow（谷歌第二代人工智能系统）进行机器学习和深度学习。

3 方案设计

3.1 系统架构

本方案的设计思路是在原系统架构的基础上，改变了终端设备直连到交换机的方式，在设备与交换机之间增加一个基于Android Things操作系统的嵌入式设备（下文中都称其为系统控制控器），它的功能是：（1）实现客户端与服务端相互加密数据传输；（2）终端设备被系统控制器隔离开，就算有人远程恶意攻入网络，没有密钥解密，也无法对终端设备进行控制、更改等操作，提高了网络信息安全性。图1为系统架构的网络拓扑图。

3.2 加密和解密的具体实现方式

RSA算法的安全性能很高，但加密和解密速度比较慢，适合短内容的加解密。而AES加密和解密的速度比较快，适合长内容的加解密，但其密钥不易保存和传输，安全性能相对较差。了解这两种加密算法的优缺点后，本方案扬长避短，先使用AES加密长度较长的正文内容，再用RSA的公钥对长度较短的AES密钥进行加密。当另端收到加密的数据后，先使用RSA的私钥解密出AES密钥，然后用AES密钥解密出正文内容。这种混合的加解密方式既保证了效率又保证了安全性。

3.3 系统控制器与服务端相互通信流程

（1）系统控制器启动时或者每隔一段时间，都会自动生成新的RSA密钥，然后主动将该公钥发送给服务端，并向服务端请求服务端的RSA公钥；服务端启动时或每隔一段时间，也会生成一个新的RSA密钥，并将该公钥分发给所有在线客户端。流程看图2。

图2

（2）系统控制器会定时询问终端设备的状态信息，并将状态信息主动上报给服务端。上报过程的加解密流程如下：①.生成一个新的AES密钥，使用AES算法对状态信息加密；②.使用服务端的RSA公钥对AES密钥加密；③.将已加密数据发送给服务端；④.服务端收到加密数据后，使用本端的RSA私钥解密出AES密钥；⑤.再用AES密钥解密出状态信息。流程看图3。

（3）服务端下发控制指令给系统控制器的加解密流程如下：①.生成一个新的AES密钥，使用该密钥加密控制指令;②.使用系统控制器端的RSA公钥对AES密钥进行加密；③.将加密数据发送给系统控制器；④.系统控制器收到加密数据后，使用本端的RSA私钥解密出AES密钥；⑤.使用AES密钥解密出控制指令并下发给终端设备；⑥.终端设备将执行结果返回给系统控制器，再按照上面所述的上报过程的加解密流程，将执行结果返回服务端。流程看图4。

3.4 设计的难点

3.4.1 传输数据的长度

图3

假如使用密钥长度为1024位的RSA进行加密，密文长度最大值是128字节。使用128位AES算法对内容信息加密，密文长度是随明文长度大小变化而改变。但是对TCP和UDP传输协议来说，TCP的MTU默认是1460字节，UDP的MTU默认是1472字节，当一个数据包的长度超过这两个长度时，数据包就会被自动拆分，所以在软件设计时有两个方案选择：（1）确保加密后的数据不超过上面两个数，（2）在进行TCP或UDP数据接收时，判断当前长度是否为零，如果不为零继续接收，直到收到上报端口的数据长度为零时，才将收到的几个包进行合并，然后再进行解密。

3.4.2 系统控制器参数配置

Android Things 操作系统没有像Windows系统一样有直接的操作界面，为了配置系统控制器程序的内置参数，必须为其开发可以通过网口进行配置的程序，本方案计划使用WEB页面方式对其进行配置。

3.5 系统控制器的拓展

Android Things支持USB、蓝牙、有线网络、无线网络 ，并提供了一个万能的通道，支持 I2C、SPI 和 UART 的数据传输，这三种串行接口，可以直接外接各种传感设备。比如调用台站门口摄像头，将靠近门口的人像抓拍下来后，使用Tensorflow深度学习来识别是工作人员还是陌生人，如果是工作人员将语音提示欢迎话语，如果是陌生人将语音提示一些提醒话语。

4 小结

本方案主要通过基于Andriod Things 操作系统的物联网开发平台，来实现客户端与服务端之间数据加密传输，提高远程监控系统的可靠性，也为以后实现站内人工智能自动化，实现免维护台站打下一个基础，因此，有较好的应用推广价值。

[1]陈鲁生,沈世镒.现代密码学（第二版）[M].科学出版社.2008-08