一种无线组网智能家居系统的安全通信方法

王海珍， 廉佐政， 谷文成， 李梦歌

（齐齐哈尔大学a.计算机与控制工程学院，b.网络信息中心，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

0 引 言

基于无线组网方案的智能家居系统，安装、扩展方便，使人们生活更加舒适和智能。大容量、低功耗、低成本是智能家居重要需求［1］，Zigbee 技术最多可组成65 000个节点的网络［2］，网络中的节点使用2 节干电池可支持一个节点工作6 ～24 个月，Zigbee 技术免协议专利费、芯片价格低［3］，能够较好满足无线智能家居的应用场景［4］。消息队列遥测传输协议（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）作为一种低开销［5］、低带宽的即时通信协议［6］，可为远程设备提供实时可靠的消息服务［7］，为实现智能家居设备的远程控制提供了方便［8］。

伴随通信技术引入系统，智能家居也遭到大量网络威胁［9］，用户信息在传输过程中容易被窃取、篡改［10］，甚至被攻击。现迫切需要解决数据在传输过程中的安全问题［11］。文献［12］中提出物联网智能家居安全设计的必要性，分析了设计过程中存在的问题，如安全标准不统一、没有专门的安全预警机制等。文献［13］中依据智能家居系统的安全需求，采用SM4 对称密码算法，对传输的数据与接入认证信息进行加密，保证组网内的信息安全传输，但未实现移动端控制。文献［14］中对家居控制用户进行身份认证，并采用标准的AES算法对控制指令进行加密，提高了智能家居系统的安全，但系统的稳定性有待提升。综上所述，现阶段智能家居行业标准还不统一，系统资源有限，对复杂运算的处理能力不足，研究一种无线组网智能家居系统的安全方案，尤其重要。本文提出一种新的智能家居系统的无线组网方案，并研究了系统的安全通信方法。

1 系统安全通信方法

1.1 系统组网方案

系统组网方案如图1 所示，包括内网和外网，内网便于用户在家控制家居设备，外网用于实现远程控制。

图1 系统组网方案

内网包括2 部分，一部分实现家居信息采集、传输，该部分数据量小、传输距离短、节点多，采用ZigBee协议通信方式；另一部分通过WiFi通信。外网采用安全的内网穿透方案ZeroTier［15］，并使用MQTT 协议进行远程控制。路由器作为MQTT 服务器，智能手机和控制器作为MQTT客户端，内网1 的控制器作为协调器，它和ZigBee终端节点都称为ZigBee 节点，它们组成ZigBee网络。ZigBee 终端节点数量可以依据采集信息情况确定，通过传感器采集室内的温度、光照等信息，并通过ZigBee 协议发送给控制器，控制器通过WiFi发送给MQTT服务器。智能手机是控制端，可以通过APP 发送控制信息给MQTT 服务器，MQTT 服务器再发送给控制器，控制器依据接收的控制信息，控制家居设备，如开启或关闭窗帘、开/关电灯等。由图1可知，系统的通信主要包括MQTT 客户端和服务器之间的通信，ZigBee网络的通信。

1.2 MQTT客户端和服务器之间的安全通信方法

本节的安全通信方法如下：MQTT 客户端通过用户名和密码登陆服务器，MQTT 服务器启用SSL 安全连接，处于外网的智能手机2 使用内网穿透方案ZeroTier与服务器组建虚拟局域网，实现加密的P2Pd安全通信。

（1）方案设计。设计MQTT客户端和服务器的安全通信方案，如图2 所示。

图2 MQTT客户端与服务器的安全通信方案

（2）平台构建。路由器上刷OpenWrt 系统，安装MQTT服务器mosquitto 软件，设置客户端用户名、密码，配置SSL，实现MQTT 客户端和服务器的安全通信，搭建ZeroTier 网络，安装ZeroTier 客户端软件，实现外网智能手机安全访问内网1 的控制器。主要步骤。

步骤1路由器刷OpenWrt 系统（以wnr2000v4型号的路由器为例）。

刷入与路由器型号对应的固件；

在PC 机上下载路由器型号对应的Uboot 和Openwrt（15.05 版本）；

PC机上要搭建TFTP 服务器，将Uboot和Openwrt下载到路由器；

路由器分别刷入Uboot、OpenWrt系统。

步骤2服务器mosquito软件安装及配置。将路由器连到Internet，在PC 机的命令行窗口输入telnet 命令，telnet 到路由器，然后输入命令：opkg install mosquito，安装Mosquitto服务器；

配置MQTT 客户端登陆的用户名和密码，修改mosquitto.conf配置文件内容，不允许匿名用户登录，使用密码文件password_file、访问权限列表文件acl_file。

allow_anonymous false

password_file /etc/mosquito/pwfile

acl_file /etc/mosquittto/aclfile

添加用户名和密码

为MQTT客户端智能手机和控制器分别配置用户名和密码，设它们的用户名、密码都为supass，则配置用户名的命令：

mosquito_passwd-c/etc/mosquito/pwfile supass

按提示输入密码。

添加用户的主题控制权限

在/etc/mosquito/目录下，新建一个文件aclfile，添加命令，指定所有MQTT用户对所有主题都有读、写权限，以便订阅或发布家居系统的信息。

步骤3配置通过ssl通信。安装openssl；

产生证书文件。

①产生CA的公钥和证书文件openssl req-new-x509-days 36500-extensions v3_ca-keyout ca.key-out ca.crt

②为MQTT 服务器产生一个私钥文件server.key，并设置加密方式openssl genrsa-out server.key 2048 openssl genrsa-des3-out server.key 2048

③为MQTT 服务器产生一个签发证书的请求文件“server.csr”openssl req-out server.csr-key server.key-new

④为mosquitto server产生一个证书文件openssl x509-req-in server.csr-CA ca.crt-CAkey ca.key-CAcreateserial-out server.crt-days 36500

⑤重复②～④，为3 个MQTT 客户端生成证书文件。

步骤4搭建ZeroTier网络并测试。

在ZeroTier 官网注册账号；

分别下载OpenWrt 系统、智能手机操作系统对应的ZeroTier客户端软件版本，并进行安装；

使用在ZeroTier 官网注册的账号，登录个人账号工作面板，创建网络ID；

在路由器和智能手机上运行ZeroTier 客户端软件，加入创建好的网络ID；

在工作面板上授权各客户端的连接，分配虚拟局域网IP地址；

网络连通测试。在路由器上ping 智能手机IPv4地址，若建立起了P2P通道，则可以PING通。

（3）实现过程。智能手机和控制器都是MQTT客户端，且智能手机是控制端，它们之间通过路由器实现通信，智能手机和控制器都需要设计MQTT 客户端程序。依据1.2 节通信方案，采用Android Studio，为Android系统的智能手机，设计MQTT 客户端程序，采用Arduino开发环境设计控制器的MQTT 客户端程序［16］。智能手机2 采用ZeroTier 技术分配的虚拟局域网IP 地址，进行网络连通后，从手机APP 发布的MQTT 消息内网穿透后，直接以P2P 方式传到路由器，路由器上MQTT 服务器收到这个消息后，转发给控制器，以便控制内网1 中的ZigBee终端节点。

1.3 ZigBee网络的安全通信方法

依据1.1 节，控制器和ZigBee 终端节点组成以协调器为核心的星型网络，通过改进的Z-Stack 协议栈AES加密算法实现它们之间的安全通信。Z-Stack 协议栈中文件nwk_global.c 定义了默认的初始轮密钥，所有ZigBee节点开启AES加密算法后，可以设置协调器节点向各个节点发送初始轮密钥，它们之间通过AES加密算法通信，提高安全性。但是AES 加密算法的初始轮密钥不具有随机性，容易破解，因此，本节提出AES 初始轮密钥的产生方法，如图3 所示，初始轮密钥由控制器产生，每间隔一定时间，或重启后轮密钥重新设置，由Logistic、PWLCM 混沌映射交叉扩散生成，为了保证密钥的随机性，Logistic 混沌映射、PWLCM混沌映射分别迭代若干次。控制器产生轮密钥后，将其通过MD5 函数生成数字签名，并将轮密钥及其数字签名发送给其它所有Zigbee 节点，ZigBee 节点接收后，进行数字签名验证，验证无误后，便可将轮密钥作为初始轮密钥进行AES加密或解密。其中，初始轮密钥产生的主要步骤如下。

步骤1设置混沌系统的参数。

图3 AES初始轮密钥产生方法

随机产生一个取值范围为（3.569 945 6，4］的数作为Logistic混沌系统的控制参数μ；

随机产生一个取值范围（0，0.5］之间的数作为PWLCM混沌系统的控制参数；

产生两个取值范围为（0，1）之间的随机数，key0、key1，分别作为Logistic 混沌系统、PWLCM 混沌系统迭代的初值。

步骤2混沌系统迭代至混沌状态。

Logistic混沌系统按步骤1 设置的参数分别迭代100 次，消除暂态的影响，处于混沌状态。

步骤3产生AES初始轮密钥。

在前面Logistic 混沌映射迭代基础上，再迭代16次，将这16 次Logistic 映射迭代产生的结果分别保存在PWLCM（i）中，其中i=1，2，…，16；

在前面PWLCM 混沌映射迭代基础，再迭代16次，将这16 次PWLCM映射迭代产生的结果分别保存在Logistic（i）中，其中i=1，2，…，16；

将PWLCM（i）、Logistic（i）转换成整数序列，即乘以108，并对256 取余；

将整数序列y_PWLCM(i)、y_PLogistic(i)分别转换成4 ×4 矩阵p_mat、l_mat，然后将两个矩阵对应元素进行异或，作为AES加密的初始轮密钥。

2 实验结果与分析

2.1 MQTT客户端程序设计

以Android 手机为例说明MQTT 客户端程序的设计。在Windows 环境下构建Android Studio 软件开发环境，即安装Java开发工具包JDK1.8；配置JDK环境变量；安装Java 集成开发环境eclipse；安装Android SDK；为eclipse 安装ADT 插件。在Android Studio 开发环境下设计程序，该程序主要包括登录模块和主界面，实现家居系统中的环境参数信息和非法入侵监测信息的查看，或者向家居系统发送控制指令。登录模块的功能是建立用户和服务器的SSL 连接，如果连接成功，跳转到客户端主界面；否则返回登录失败信息。主界面如图4 所示。

图4 MQTT客户端程序主界面

2.2 改进的AES算法实验结果与分析

采用的实验环境：内存8 GB，处理器i7-6700HQ，CPU2.6 GHz，操作系统Windows 10，仿真软件为Matlab R2014a。使用标准AES 算法默认密钥加密解密运行结果如图5 所示，本文算法产生初始密钥的运行结果如图6 所示。

图5 使用标准AES算法默认密钥加密解密运行结果

图5、6 中命令窗口最后3 行为处理的数据，其中第1 行“温度：20 ℃；光线暗，拉上窗帘”为传输的原始数据，第2 行为加密后的数据，第3 行为解密后的数据。对比2 种算法的运行时间，都在0.63 s 左右，而本文算法加密时间较短，见表1。

表1 算法运行时间对比

3 结 语

针对智能家居面临的数据安全问题，本文提出一种无线组网的智能家居系统，采用WiFi 和ZigBee 无线技术通信，将路由器部署为MQTT服务器，路由器上配置安全方案，实现MQTT 客户端和服务器之间的安全通信，成本低、安全性好。同时基于ZigBee 芯片设计的家居设备节点之间通过ZigBee 技术进行通信，为了保证其安全性，启用Z-Stack 协议栈的AES 加密算法，并基于Logistic混沌系统和PWLCM混沌系统进行交叉扩散，产生AES 初始轮密钥，改善AES 算法的安全性，经过实验分析，相对标准AES算法，改进的加密算法运行时间较短，有可应用性。