CN105119785A - 智能家居网络节点的配置方法、数据发送和接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据安全传输技术，公开了一种智能家居网络节点的配置方法、数据发送和接收方法。本发明中，通过在智能家居网络的节点分发长期密钥，并在数据传输过程中采用长期密钥KEY对数据信息INFO进行加密和解密，实现了数据的安全发送和接收，防止数据包被截取、仿冒和伪发，保证了智能家居网络和终端进行数据交互的安全性。

Description

智能家居网络节点的配置方法、数据发送和接收方法

技术领域

本发明涉及数据安全传输技术，特别涉及智能家居网络节点的配置方法、数据发送和接收方法。

背景技术

随着移动智能终端的快速发展，家居设备也越来越智能化。智能家居系统是以住宅空间为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术等将与家居生活有关的设备进行集成，构建高效的住宅设施和家庭日程事务的管理系统，提升家居设备安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

目前，智能家居系统以组网的方式进行布局形成智能家居网络，系统中的各设备构成网络节点，通过终端对节点进行控制，终端与节点在进行数据交互时，由于数据没有加密，数据交互过程存在被截获，仿冒等安全隐患，导致智能家居网络的安全性较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于智能家居网络节点的配置方法、数据发送和接收方法，使得在智能家居网络中可以便捷的建立安全通道，并在对数据交互中的数据进行加密传输，防止数据包被截取、仿冒和伪发，保证了智能家居网络进行数据交互的安全性。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种智能家居网络节点的配置方法，所述智能家居网络节点为智能家居设备或者控制终端；所述智能家居网络包含多个智能家居设备和至少一个控制终端；

智能家居网络节点的配置方法包含以下步骤：

新加入网络的控制终端与网络节点配对；

新加入网络的控制终端接收用户输入的网络名称和网络密码；

新加入网络的控制终端根据接收的网络名称和网络密码向网络节点请求长期密钥；

网络节点反馈长期密钥给所述新加入网络的控制终端；

所述新加入网络的控制终端保存网络配置信息，供后续配置其他加入网络的节点使用；其中，网络配置信息包含：网络名称、网络密码和长期密钥。

本发明的实施方式提供了一种数据发送方法，所述智能家居网络节点采用上述的配置方法获得网络配置信息；所述智能家居网络节点的数据发送方法包含以下步骤：

采用长期密钥KEY、数据包序列号SN、发送者地址srcID，对数据信息INFO进行加密，获取密文；

将密文封装成数据包并发送。

本发明的实施方式还提供了一种数据接收方法，所述智能家居网络节点采用上述的配置方法获得网络配置信息；所述智能家居网络节点的数据接收方法包含以下步骤：

接收数据包；数据包至少包含密文，密文采用长期密钥KEY、数据包序列号SN、发送者地址srcID，对数据信息INFO进行加密得到；

若数据包中的数据包序列号SN与当前记录的数据包序列号SN一致，则采用长期密钥KEY、数据包序列号SN、发送者地址srcID，对密文解密，获取数据信息INFO。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过在智能家居网络的节点分发长期密钥，并在数据传输过程中采用长期密钥KEY对数据信息INFO进行加密和解密，实现了数据的安全发送和接收，防止数据包被截取仿冒和伪发，保证了智能家居网络中的节点之间进行数据交互的安全性。

另外，数据包中还包括随机数nonce字段；其中，所述随机数字段中至少包含发送者地址srcID和数据包序列号SN。

另外，随机字段中还包括一个转发数据值TTL；转发数据值用于控制数据包的转发次数。通过设置有效的转发次数可以避免无效的数据转发，避免了功率损耗。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的长期密钥生成和分发流程图；

图2是根据本发明第一实施方式的新的控制终端加入网络的流程示意图；

图3是根据本发明第二实施方式的智能家居节点间传输的数据包格式示意图；

图4是根据本发明第二实施方式的从终端到智能家居网络节点的数据包格式示意图；

图5是根据本发明第二实施方式的从智能家居网络节点到终端的数据包格式示意图；

图6是根据本发明第三实施方式的数据接收方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种智能家居网络节点的配置方法。这里所说的智能家居网络节点可以为智能家居设备或者控制终端；智能家居网络包含多个智能家居设备和至少一个控制终端。该智能家居网络包含多个网络节点，智能家居设备可以为灯、开关、遥控器、智能电视、智能洗衣机、智能空调、智能监控设备等等多种智能家居设备。控制终端可以为手机、平板电脑，其中控制终端安装有智能家居网络控制应用程序APP，安装有该控制应用程序的终端可以对智能家居设备进行控制。智能家居设备与控制终端的种类并不限于以上所述，这里不再一一赘述。

当第一个配对的网络节点通过终端(比如手机)加入智能家居网络时，终端设置该智能家居网络的网络名称(nn)、网络密码(pass)及长期密钥(ltk)(以下将三者统称为网络配置信息，其中长期密钥可能由网络名称，网络密码，以及其他用户不可见信息推导得出)，并将这些网络配置信息交换给节点；之后再加入网络的节点，终端直接分发上述网络配置。

也就是说，智能家居网络节点的配置方法首先包含一控制终端与一智能家居设备初始化网络配置信息的步骤。在初始化之前，智能家居网络还未组建，通过一控制终端与一智能家居设备进行交互，组建智能家居mesh网络。以下以一手机(Phone)和一灯(Light)为例来说明网络初始化，如图1所示。

准备加入该智能家居网络的灯通过广播信道进行周期性的广播，当手机监听到该广播后，发出扫描请求，当灯回应扫描时，就完成了灯的发现过程。然后，当手机发送“配对请求(PAIRING_REQ)”到灯时，该请求触发灯随机闪烁n次，并发送“配对响应(PAIRING_RES)”，其中n为临时密钥，可以为小的随机整数。

此环节中，由于配对请求和配对响应都没有加密，为了加强保护，可以利用一个特殊的序列(Sequence)来确保，例如：手机在用户要求开始配对后，配对请求实际上分为两个不同的信息：配对请求1和配对请求2，手机会发送在X秒钟内会连续发送配对请求1M次，然后转为连续发送配对请求2N次，灯在手机进入配对状态后再上电，只有在上电后的Y(小于X)的时间内，连续收到配对请求1和配对请求2，才会进入配对状态。这种方式可以让最接近灯和手机的用户才能控制什么时间开始配对。

值得说明的是，临时密钥可以按照预设规则显示给用户查看，比如，通过智能家居设备自带的灯组以以下任意一种方式或任意组合显示给用户查看：灯组的亮灭、灯组的闪烁次数和灯组的颜色组合。另外，临时密钥也可以是智能家居设备出厂时设定，比如，印刷在灯上的条形码或者正交码。

手机和灯完成配对之后，用户在手机上输入临时密钥(n)、网络名称(nn)、网络密码(pass)。手机与灯进行交互，通过“加密开始(ENC_START)”和“加密响应(ENC_RSP)”，根据网络名称和临时密钥生成会话密钥。具体地说，如图1中所示，手机向灯发送网络名称，手机随机数rm，灯随机数rs，以及其他的随机信息n，生成临时会话(Session)密钥(sk)，用于保护后续的信息交换。比如说，用户此时可以通过手机上的控制应用程序的用户界面将该网络名称nn设置为“Tom’shomemesh”，将网络密码pass设置为“Tom_2015”。

手机和灯生成Session密钥SK之后，利用它进行加密(比如进行AES加密)，将网络名称、网络密码和长期密钥(ltk)传送给灯进行存储，其中网络名以及网络密码是由用户在手机界面上输入，而长期密钥是用户无法看到利用派生方法生成的，例如利用HASH算法通过网络名，用户密码以及其他办法计算得出。灯将长期密钥ltk、网络名称nn、用户密码pass进行数字运算后加密回传给手机进行确认。此时就完成了灯的网络信息配置，灯会将网络名称，网络密码，长期密钥保存在内部机密的区域用于后续的数据包加密和认证使用。比如，上述网络名称“Tom’shomemesh”、网络密码“Tom_2015”及长期密钥ltk等信息设置完成后发送给该灯，灯响应上述信息后完成加入网络名称为“Tom’shomemesh”的智能家居网络。

其他加入到该智能家居网络的灯通过手机获取网络名称、密码及长期密钥ltk等信息并为之后智能家居网络节点间的所有广播通信提供保护。也就是说，新加入网络的智能家居设备与已存储网络配置信息的控制终端配对之后，控制终端将网络配置信息直接发送给新加入网络的智能家居设备，完成新加入网络的智能家居设备的配置。

于本实施方式中，当有另外的终端加入到该智能家居网络时，手机监听扫描到在其无线广播覆盖范围内的任一网络节点的广播，该网络节点响应该扫描请求，完成终端发现过程。新加入网络的控制终端与网络节点配对之后，新加入网络的控制终端接收用户输入的网络名称和网络密码；新加入网络的控制终端根据接收的网络名称和网络密码向网络节点请求长期密钥；网络节点反馈长期密钥给所述新加入网络的控制终端；新加入网络的控制终端保存网络配置信息，供后续配置其他加入网络的节点使用。

以下以新手机通过灯加入网络为例进行说明，如图2所示。用户通过手机上的控制应用程序的用户界面输入网络名称“Tom’shomemesh”以及密码“Tom_2015”后发送“长期密钥ltk请求”给灯，灯获取该“长期密钥ltk请求”后将“长期密钥ltk响应”以及智能家居网络的长期密钥ltk发送给手机，尽管长期密钥ltk或其原始信息从未保护手机和网络节点间的通信，但该手机需要获取该长期密钥作为之后将该长期密钥提供给其他加入的网络节点做准备。

与现有技术相比，通过在智能家居网络的节点分发长期密钥，使得在智能家居网络中可以便捷的建立安全通道，为后续进行安全地数据传输打下基础。

本发明的第二实施方式涉及一种数据发送方法。该方法采用长期密钥ltk、数据包序列号SN、发送者地址srcID，对数据信息INFO进行加密，获取密文，并将密文封装成数据包发送出去。现有的加密算法均可用于本实施方式，在此不一一赘述。

在本实施方式中，该数据信息可以是智能家居网络中智能家居节点间进行交互的数据信息，该数据信息也可以是智能家居节点与智能终端进行交互的数据信息。

网络中的智能节点再配置网络配置信息之后，即可利用这些信息进行安全通信。具体地说，发送端发送的数据信息是以数据包的形式进行发送的，该数据信息可以包括灯的开启或关闭，灯的颜色，空调温度等等。本实施方式中，智能家居节点之间传输的数据包格式如图3所示，智能家居节点与智能终端之间传输的数据包格式如图4和图5所示，图中左斜线阴影部分的数据进行完整性保护，右斜线部分的数据进行加密以及完整性保护。数据包的设计兼容蓝牙4.0的包格式，保证用最少的负载就可以传输必要的信息。

智能家居节点之间传输的数据包包括信息完整性检查字段MIC(用于认证)、随机数nonce字段和加密数据部分。其中：

信息完整性检查字段MIC被用于检查该数据包的完整性，即是否存在字节中的位翻转等改变，防止接收端接收到伪发和仿冒的数据包，可以有效增加数据包的抗干扰能力，信息完整性检查字段MIC采用两个字节进行表示。MIC是利用长期密钥LTK和Nonce，在整个加密数据上计算出来的。可以利用AES算法或者其他安全性高的算法。

随机数字段包含发送者地址srcID、转发数据值TTL、帧编号FrameID和数据包序列。数据包序列(图中SeqNo，简称“SN”)和发送者地址相关用于确定该数据包是发送者发送的第多少个包，用1个字节进行表示，也用于避免Replay攻击。发送者地址srcID用于唯一确定发送者，用四个字节表示。转发数据值TTL，用一个字节表示，该转发数据值用于控制数据包的转发次数，由于数据包被转发的次数越多，则智能家居网络的整体功耗越高，因此通过对该转发数据值的有效设置控制数据包的有效转发次数，可以避免智能家居网络的过高功耗。帧编号FrameID用于标示数据包的顺序。

加密数据部分(图中Encrypteddata，即密文)，该密文包括网络标识号NID、组标识号Group、目标节点标识号DstID、有效载荷Payload。加密数据是在原始数据上，利用长期密钥，Nonce以及高性能的加密算法(例如AES)计算得出。其中，网络标识号NID用于确定唯一的智能家居网络，用2个字节表示；组标识号Group用于确定智能家居网络中的某一特定组的智能家居网络节点，用2个字节表示；目标网络节点标识号DstID，该目标网络节点标识号为该数据包接收和受控节点的身份标识号；有效载荷Payload为数据包的有效控制信息，比如该有效控制信息为控制灯亮的指令字节、调节灯的亮度的指令字节、调节空调的温度等等。

数据包除了包含上述字段之外，还包含数据包类型字段Type和数据包长度字段Len。数据包类型字段Type用于确定发送的该数据包的类型即数据包格式，图1的数据包格式为智能家居网络节点间进行数据交互的数据包格式。数据包长度字段用于确定该数据包的长度即该数据包包含的字节数，用1个字节表示。

智能家居节点与智能终端之间传输的数据包有两种格式，一种是终端发送数据给网络节点的数据格式如图2所示，包含：数据类型Type、长度Len、L2CAPLEN、ChanID、L2CAPPayload。其中，数据类型Type(1个字节)用于表示数据包格式类型；数据包长度Len(1个字节)用于表示数据包包含的字节数的总数；L2CAPLen，ChanID，ATT，和Handle都是和现有蓝牙4.0数据格式兼容的字段，在此不再赘述。

此外，以下字段是与本实施方式的数据安全传输相关的字段：

数据包的序列号SeqNo(1个字节)用于确认唯一的数据包；

信息完整性检查字段MIC(2个字节)用于检查该数据包的完整性；

组标识号Group(2个字节)用于确定智能家居网络中的某一特定组的智能家居网络节点；

目标网络节点标识号DstID(4个字节)为该数据包接收和受控节点的身份标识号；

有效载荷Payload(11个字节)为数据包的有效控制信息，比如该有效控制信息为控制灯亮的指令字节、调节灯的亮度的指令字节、调节空调的温度等等。

另一种是网络节点发送给终端的数据格式，如图3所示，这种数据格式中，除了将图2中的MIC替换成NID之外，其余类似，这里不再一一赘述。NID为网络标识号，用于区分网络。

对数据信息INFO进行加密所采用的数据包序列号SN和发送者地址srcID即为上述数据格式中的数据包序列号和发送者地址；而长期密钥则是在智能家居网络组网时生成，并分发到各智能家居节点的；整个智能家居网络内使用同一长期密钥。

综上所述，通过采用长期密钥KEY、数据包序列号SN和发送者地址srcID对数据信息进行加密，获取密文，并将密文封装成数据包并发送，使得防止数据包被截取、防冒和伪发，提高了数据包传输的安全性。

本发明的第三实施方式涉及一种数据接收方法。具体流程图如图6所示。

步骤601：接收数据包。具体地说，智能家居网络中的网络节点接收到数据包，该数据包至少包含密文，该密文采用长期密钥KEY、数据包序列号SN及发送者地址srcID对数据信息INFO进行加密得到。

步骤602：判断接收到的数据包中的数据包序列号SN与当前记录的数据包序列号SN是否一致；若一致，则执行步骤603；若不一致，则执行步骤506。

具体地说，智能家居网络中的网络节点需要记录与之建立通信连接的节点当前的数据包序列号，当接收到的数据包时，读取随机数字段的数据包序列号和发送者地址，根据发送者地址查找记录的数据包序列号，将读取的数据包序列号与记录的数据包序列号进行比较，若两者不一致，则说明收到的数据包是一个仿冒或伪发的数据包，直接将该数据包丢弃，不作处理。若两者一致，则执行步骤603。

步骤603：判断接收到的数据包中的转发数据值是否达到跳转预设值，若否，则执行步骤604；若是，则执行步骤606。

具体地说，智能家居网络节点判断接收到的数据包中的转发数据值TTL是否到达跳转预设值，比如，该跳转预设值为4(也就是设定该数据包可被转发4次)，若转发数据值TTL为4，即转发数据值达到跳转预设值，则也可以直接丢弃数据包，不对其进行处理。若转发数据值TTL为3，即转发数据值未达到跳转预设值，则执行步骤604。

步骤604：对数据包中的密文解密。具体地说，采用长期密钥KEY、数据包序列SN及发送者地址srcID对该数据包解密，获取数据信息INFO。

步骤605，对数据信息进行分析，并在需要转发数据时，转发该数据信息。

在进行数据信息转发时，重新采用长期密钥KEY、数据包序列SN及发送者地址srcID对数据信息进行加密，封装成数据包再发送出去。此时，转发的数据包与接收到的数据包中，SrcID、TTL、SeqNo均不相同。

步骤606，丢弃数据包。

在接收到数据包后，先判断数据包序列是否正确，若不正确，直接丢弃数据包。然后判断数据包是否过了有效期(用TTL进行控制)，过了有效期的数据包，也直接丢弃。最后，采用长期密钥KEY、数据包序列SN及发送者地址srcID对密文进行解密；若无法正确解密，也直接丢弃数据包。在这几重保护中，若数据包被截获，如果不知道长期密钥，无法对密文进行解密。即使知道长期密钥，能够正确对密文进行解密，从而仿冒原发送者再次发送该数据包，但由于SN已经有了变化，因此，该仿冒的数据包也会被直接丢弃。或者模仿数据包格式伪发数据包，也会在数据包达到有效期(转发预设次数)之后，从网络中消失，从而提高了数据发送接收的安全性。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种智能家居网络节点的配置方法，其特征在于，所述智能家居网络节点为智能家居设备或者控制终端；所述智能家居网络包含多个智能家居设备和至少一个控制终端；

智能家居网络节点的配置方法包含以下步骤：

新加入网络的控制终端与网络节点配对；

新加入网络的控制终端接收用户输入的网络名称和网络密码；

新加入网络的控制终端根据接收的网络名称和网络密码向网络节点请求长期密钥；

网络节点反馈长期密钥给所述新加入网络的控制终端；

所述新加入网络的控制终端保存网络配置信息，供后续配置其他加入网络的节点使用；其中，网络配置信息包含：网络名称、网络密码和长期密钥。

2.根据权利要求1所述的智能家居网络节点的配置方法，其特征在于，

新加入网络的智能家居设备与已存储网络配置信息的控制终端配对之后，控制终端将网络配置信息直接发送给所述新加入网络的智能家居设备。

3.根据权利要求1所述的智能家居网络节点的配置方法，其特征在于，所述智能家居网络节点的配置方法还包含一控制终端与一智能家居设备初始化网络配置信息的步骤：

一控制终端与一智能家居设备配对之后，控制终端接收用户输入的网络名称、网络密码和临时密钥；

控制终端与智能家居设备进行交互，根据网络名称和临时密钥生成会话密钥；

控制终端生成长期密钥，并以会话密钥进行加密向智能家居设备发送网络配置信息。

4.根据权利要求3所述的智能家居网络节点的配置方法，其特征在于，所述临时密钥为智能家居设备出厂时设定，或按照预设规则显示给用户查看。

5.根据权利要求4所述的智能家居网络节点的配置方法，其特征在于，所述临时密钥通过智能家居设备自带的灯组以以下任意一种方式或任意组合显示给用户查看：

灯组的亮灭、灯组的闪烁次数和灯组的颜色组合。

6.一种数据发送方法，其特征在于，所述智能家居网络节点采用如权利要求1至3任一项所述的配置方法获得网络配置信息；

所述智能家居网络节点的数据发送方法包含以下步骤：

采用长期密钥KEY、数据包序列号SN、发送者地址srcID，对数据信息INFO进行加密，获取密文；

将所述密文封装成数据包并发送。

7.根据权利要求6所述的数据发送方法，其特征在于，所述数据包中还包括随机数nonce字段；

其中，所述随机数字段中至少包含发送者地址srcID和数据包序列号SN。

8.根据权利要求6所述的数据发送方法，其特征在于，所述随机数字段中还包括一个转发数据值TTL；所述转发数据值用于控制数据包的转发次数。

9.一种数据接收方法，其特征在于，所述智能家居网络节点采用如权利要求1至3任一项所述的配置方法获得网络配置信息；

所述智能家居网络节点的数据接收方法包含以下步骤：

接收数据包；所述数据包至少包含密文，所述密文采用长期密钥KEY、数据包序列号SN、发送者地址srcID，对数据信息INFO进行加密得到；

若数据包中的数据包序列号SN与当前记录的数据包序列号SN一致，则采用长期密钥KEY、数据包序列号SN、发送者地址srcID，对所述密文解密，获取数据信息INFO。

10.根据权利要求9所述的数据接收方法，其特征在于，在判定数据包中的数据包序列号SN与当前记录的数据包序列号SN一致之后，在所述采用长期密钥KEY、数据包序列号SN、发送者地址srcID，对所述密文解密的步骤之前，还包含以下步骤：

判断数据包中的转发数据值是否达到跳转预设值；

若所述转发数据值未达到跳转预设值，则采用长期密钥KEY、数据包序列号SN、发送者地址srcID，对所述密文解密。