CN108134801B - 一种基于消息过滤算法的mqtt协议智能家居的识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于消息过滤算法的MQTT协议智能家居的识别方法，属于智能家居安防设备网络信息安全领域。该方法包括：在无线局域网的情况下，根据Wireshark在Linux系统中用airodump‑ng抓取智能家居与外界通信时802.11的PCAP包，并筛选出MQTT协议的数据包；针对MQTT这一层进行解读，由于识别智能家居的MQTT协议，一般只涉及PUBLISH消息，可变报头的Topic Name关键字，定义了有效载荷数据发送的信息频道，订阅者根据Topic Name来识别出他们想要接收的消息；对MQTT协议的Topic位先进行特殊字符查找；采用改进型的BF算法进行模式匹配；用Topic位相匹配，识别出智能家居安防设备厂商。本发明通过改进型的消息过滤算法将MQTT协议中订阅的主题与智能家居品牌联系了起来。

Description

一种基于消息过滤算法的MQTT协议智能家居的识别方法
技术领域
本发明属于智能家居安防设备网络信息安全领域，涉及一种基于消息过滤算法的MQTT协议智能家居的识别方法。
背景技术
智能家居系统是众多智能产品中规模较大，功能较全的一个家居服务系统，许多别墅和一些条件优越的家庭都已经配备了这套系统。早时的智能家居被称为家庭自动化、家庭网络、网络家电和信息家电，随着时代发展，逐渐被人们称为智能家居。
智能家居系统将嵌入式微控制器技术、无线连接、接入网络融合为一体。Apps软件能够使用户发现家里的设备，设置、或者创建一个动作加以控制。远程管控让居民不管走到哪儿，都不会与家里失联，随时随地“发现、管理、控制”。例如，居民旅游在外，你仍可监视住宅的安全环境和调节家舍的室内温度。
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)协议是用做制动器和传感器的通信协议。由于其适用于小型传输，所需的带宽小，并且可以较好的工作在不稳定的网络中，使得MQTT协议广泛应用在物联网和机器与机器(M2M)通信环境中。
目前基于MQTT协议的智能家居安防设备的识别系统中，在关键字过滤中，常用的算法有BF(Brute Force)、KMP(Knuth Morris Pratt)等；BF算法是一种字符串模式匹配算法，运算复杂度较高；由于此识别系统可能应用于嵌入式设备中，算法的运行效率要求较高，因此原始的PF算法无法满足要求，故需要一种识别方法，通过wireshark抓取MQTT协议的PCAP包，分析MQTT协议的PCAP包中Publish Message里各字段的作用，采用改进的消息过滤算法对MQTT协议数据流相关字节的关键字进行匹配，识别出智能家居生产商。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于消息过滤算法的MQTT协议智能家居的识别方法，通过该方法可以判断家中的智能家居安防设备是否存在安全性保障。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于消息过滤算法的MQTT协议智能家居的识别方法，该方法具体包括以下步骤：
S1：在无线局域网的情况下，根据Wireshark在Linux系统中用airodump-ng抓取智能家居与外界通信时802.11的PCAP包，并筛选出MQTT协议的数据包；
S2：针对MQTT这一层进行解读，由于识别智能家居的MQTT协议，一般只涉及PUBLISH消息，可变报头的Topic Name关键字，定义了有效载荷数据发送的信息频道，订阅者根据Topic Name来识别出他们想要接收的消息；
S3：对MQTT协议的Topic位进行特殊字符查找；
S4：采用改进型的BF(Brute Force，暴风)算法进行模式匹配，设模式串特殊符号前有s位，如果目标串也含有特殊字符，则从特殊字符开始当作分界线，往前匹配s位同时往后匹配模式串其余位；
S5：用Topic位相匹配，识别出智能家居安防设备厂商。
进一步，所述步骤S3中，对MQTT协议的Topic位进行特殊字符查找包括：设目标串长度为n，模式串长度为m模式串特殊符号前有s位，如果目标串也含有特殊字符，则从特殊字符开始当作分界线，往前匹配s位，同时往后匹配模式串其余位；首先需要对目标串遍历，找出特殊字符位置，时间复杂度为O(n)；接着匹配模式串其余位，若不匹配，则跳到下一个特殊字符处，重复上述的步骤，这样匹配只需n的常数倍，即时间复杂度为O(n)；若遍历后没有特殊字符，则运用BF算法进行匹配，最坏的情况下所需的时间复杂度仍然是O(m*n)。
进一步，所述步骤S4中，采用改进型的BF算法进行模式匹配，具体包括以下步骤：
S41：假设目标串S：abc$cel/Gespdev/G86Pxmz，模式串T：dev/G86P；在识别系统的BF模式匹配算法模块中，首先遍历目标串S，找出特殊字符$与/；匹配过程中的i表示匹配的次数，j表示目标串的位置；如图2所示，第一次匹配：此时特殊字符处不相等，匹配失败；
S42：如图3所示，第二次匹配：特殊字符匹配成功，往前匹配时失败；
S43：如图4所示，第三次匹配：当特殊字符匹配成功后，一分为二，同时向前向后开始匹配，目标串与模式串相同，匹配成功。
本发明的有益效果在于：本发明通过wireshark抓取了MQTT协议的PCAP包，分析了MQTT协议的PCAP包中Publish Message里各字段的作用，采用改进的消息过滤算法对MQTT协议数据流相关字节的关键字进行匹配，识别出智能家居生产商，从而判断出家中的智能家居安防设备是否存在安全性保障。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为基于MQTT协议的通用智能家居安防系统总体框架设计图；
图2为特殊字符第一次匹配示意图；
图3为特殊字符第二次匹配示意图；
图4为特殊字符第三次匹配示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为基于MQTT协议的通用智能家居安防系统总体框架设计图，参照图1，对于每一个MQTT协议命令消息的头部都包含了一个固定报头，有些消息还需要一个可变报头和一个有效载荷。固定报头、可变报头以及有效载荷的格式如下。
固定报头的第一个字节包含了类型和标签(DUP,QoS level,and RETAIN)，第二个字节(至少含有一个字节)包含接下来的变长头部和消息体的总大小。固定报头如表1所示。
表1 MQTT消息固定头
Figure BDA0001556174120000031
其中，Message Type是4位无符号的数值，DUP flag设置为1表示客户端或者服务器重新发送了一个PUBLISH、PUBREL、SUBSCRIBE或者UNSUBSCRIBE消息。如果DUP设置为1，那么可变报头将包含Message ID字段。
QoS表示发送PUBLISH消息的级别。QoS为0时，PUBLISH消息至多发送一次。
第二个字节Remaining Length保存后面的可变头部和消息体的总大小。这个字节可以进行扩展，如果可变头部与消息体的总大小在0到127之间，那么直接保存，不需要扩展字节。但可变头部与消息体的总大小在128到16383，则需要扩展一个字节，使用第二个字节保存其长度。Remaining Length最多可以为4个字节。
表2是MQTT协议的可变报头。
表2 可变报头对应字节表
Figure BDA0001556174120000032
在可变头部中，第一部分是协议的名字，MSB与LSB表示在Protocol Name中后面的字节长度，这里是6个字节，即”MQIsdp”。Topic Name是订阅消息标识，可以用来区分消息的推送类别，订阅者使用这个关键字来识别想要接收的消息。
根据图1中的系统，本发明提供一种基于消息过滤算法的MQTT协议智能家居的识别方法，其步骤为：
步骤1：在无线局域网的情况下，根据wireshark在Linux系统中用airodump-ng抓取智能家居与外界通信时802.11的PCAP包，并筛选出MQTT协议的数据包。
步骤2：针对MQTT这一层进行解读，由于识别智能家居的MQTT协议一般只涉及PUBLISH消息，所以只需针对这个消息进行解读与存储。
步骤3：在Publish Message中，第一个字节是0x30，转化成二进制是00110000，代表这个消息是PUBLISH消息，QoS设置为00，即这个消息至多被发送一次。Msg Len代表可变头部与消息体的总大小，此处大小是302，因为介于128到16363之间，故需要扩展成两个字节来存放，即0x30后面的两个字节：0xae与0x02。计算方式为：302＝46+2*128，46转为二进制数为00101110，将最高位置1，表示后面还有存放的字节，置1后成为10101110，即0xae，后一个字节存放0x02。
步骤4：可变报头的Topic Name关键字，定义了有效载荷数据发送的信息频道。订阅者根据Topic Name来识别出他们想要接收的消息。此处存放的Topic Name转化为ASCII码为dev2app/G86PxmzRfHq98dbJotEoms。后面存放的字节就是PUBLISH消息的数据段。
步骤5：对MQTT协议的Topic位先进行特殊字符查找。设模式串特殊符号前有s位，如果目标串也含有特殊字符，则从特殊字符开始当作分界线，往前匹配s位同时往后匹配模式串其余位。首先需要对目标串遍历，找出特殊字符位置，时间复杂度为O(n)。接着匹配模式串其余位，若不匹配，则跳到下一个特殊字符处，重复上面的工作，这样匹配只需n的常数倍，即时间复杂度为O(n)。若遍历后没有特殊字符，则进行原始的BF模式匹配算法，最坏的情况下所需的时间复杂度仍然是O(M*N)。
步骤5.1：采用改进型的BF模式匹配算法。假设目标串S：abc$cel/Gespdev/G86Pxmz，模式串T：dev/G86P。在识别系统的BF模式匹配算法模块中，首先遍历目标串S，找出特殊字符$与/。匹配过程中的i表示匹配的次数，j表示目标串的位置。如图2所示，第一次匹配：此时特殊字符处不相等，匹配失败。
步骤5.2：如图3所示，第二次匹配：特殊字符匹配成功，往前匹配时失败。
步骤5.3：如图4所示，第三次匹配：当特殊字符匹配成功后，一分为二，同时向前向后开始匹配，目标串与模式串相同，匹配成功。
最后将Topic位用BF算法相匹配，识别出智能家居安防设备厂商。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种基于消息过滤算法的MQTT协议智能家居的识别方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：在无线局域网的情况下，根据Wireshark在Linux系统中用airodump-ng抓取智能家居与外界通信时802.11的PCAP包，并筛选出MQTT协议的数据包；其中MQTT协议为MessageQueuing Telemetry Transport消息队列遥测传输；
S2：针对MQTT这一层进行解读，由于识别智能家居的MQTT协议，只涉及PUBLISH消息，可变报头的Topic Name关键字，定义了有效载荷数据发送的信息频道，订阅者根据TopicName来识别出他们想要接收的消息；
S3：对MQTT协议的Topic Name关键字进行特殊字符查找，并进行模式匹配，具体包括：设目标串长度为n，模式串长度为m，模式串特殊符号前有s位，如果目标串也含有特殊字符，则采用改进型的BF算法进行模式匹配，从特殊字符开始当作分界线，往前匹配s位同时往后匹配模式串其余位；首先需要对目标串遍历，找出特殊字符位置，时间复杂度为O(n)；接着匹配模式串其余位，若不匹配，则跳到下一个特殊字符处，重复上述的步骤，这样匹配只需n的常数倍，即时间复杂度为O(n)；若遍历后没有特殊字符，则运用原始的BF算法进行匹配，最坏的情况下所需的时间复杂度仍然是O(m*n)；其中BF算法为Brute Force暴风算法；
S4：用Topic Name关键字相匹配，识别出智能家居安防设备厂商。
2.根据权利要求1所述的一种基于消息过滤算法的MQTT协议智能家居的识别方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用改进型的BF算法进行模式匹配，具体包括以下步骤：
S31：假设目标串S：abc$cel/Gespdev/G86Pxmz，模式串T：dev/G86P；在识别系统的BF模式匹配算法模块中，首先遍历目标串S，找出特殊字符$与/；匹配过程中的i表示匹配的次数，j表示目标串的位置；第一次匹配：此时特殊字符处不相等，匹配失败；
S32：第二次匹配：特殊字符匹配成功，往前匹配时失败；
S33：第三次匹配：当特殊字符匹配成功后，一分为二，同时向前向后开始匹配，目标串与模式串相同，匹配成功。
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