CN109218466B - 基于相对位置信息的低功耗蓝牙IPv6地址自动加密配置方法 - Google Patents

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Abstract

基于相对位置信息的低功耗蓝牙IPv6地址自动加密配置机制，其中，IPv6地址由子网前缀，部分加密地址，位置信息地址三部分组成。根据物理位置生成位置信息地址，以时间作为秘钥加密距离信息生成部分加密地址，通过面向连接的BLE通信方式，完成对外围设备IPv6地址的自动加密配置。该配置机制基于相对位置信息生成为位置信息地址，保证了生成子网地址的唯一性，避免了重复地址检测，降低了功耗；以时间信息作为秘钥对地址进行部分加密，生成的部分加密地址较难被解析，提高生成地址的安全性；为低功耗蓝牙设备配置全球可路由的IPv6地址，为实现低功耗蓝牙设备与互联网之间的无缝连接提供了可能，也为低功耗蓝牙设备广泛运用于物联网奠定了基础。

Description

基于相对位置信息的低功耗蓝牙IPv6地址自动加密配置方法
技术领域
本发明涉及地址加密配置领域，具体涉及一种基于相对位置信息的低功耗蓝牙IPv6地址自动加密配置机制。
背景技术
低功耗蓝牙是蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group, BluetoothSIG)发布蓝牙4.0版本时提出的一种低功耗，低延时的蓝牙通信技术。基于IPv6的低功耗蓝牙技术(IPv6over BLE，6LoBLE) 是一种支持低功耗蓝牙设备传输IPv6数据包的重要技术。低功耗蓝牙设备IPv6地址自动配置则是实现低功耗蓝牙设备IPv6数据包传输的重要前提，同时也为实现低功耗蓝牙设备与下一代互联网全IP通信奠定了基础。
现阶段，低功耗蓝牙设备接入互联网仅支持星状拓扑，定义了中心设备(Central)和外围设备(Peripheral)两种角色，通过一个Central 管理多个Peripheral，以实现IPv6地址的自动配置。
针对低功耗蓝牙设备拓扑多变性的特点，采用无状态的地址分配策略。现有的无状态地址配置方法需要进行重复地址检测以确保其地址的唯一性，导致大量能量消耗；另外，地址并未进行加密操作，数据传输过程可能存在IP地址假冒问题，对其通信造成安全威胁。
发明内容
本发明所提出的基于相对位置信息的低功耗蓝牙IPv6地址自动加密配置机制中，IPv6地址由子网前缀，部分加密地址(Partially Encrypted Address,PEA)，位置信息地址(Location Information Address， LIA)三部分组成。根据物理位置生成位置信息地址，以时间作为秘钥加密距离信息生成部分加密地址，通过面向连接的BLE通信方式，完成对外围设备IPv6地址的自动加密配置。
基于相对位置信息的低功耗蓝牙IPv6地址自动加密配置机制，其特征在于：
所述地址自动加密配置机制包括如下步骤：
步骤1，基于相对位置信息的地址生成；
针对于低功耗蓝牙星状组网方式，根据中心设备和外围设备的相对物理位置信息得出位置信息地址LIA，作为子网地址后段地址，以保证子网地址唯一性，其具体过程如下：
步骤1-1：确定外围设备的相对位置坐标；
以中心设备为中心，建立三维极坐标系，通过测量得出外围设备的对应位置参数(ρ，θ，γ)，ρ精确到毫米，θ，γ精确到秒；
ρ为外围设备与中心设备的绝对距离；
θ为水平方向上，外围设备与中心设备连线相对于特定方向的夹角(从特定方向到连线逆时针旋转)，范围为0-360°；
γ为竖直方向上，外围设备与中心设备连线相对于特定方向(竖直向上)的夹角，范围为0-180°；
步骤1-2：根据位置信息生成位置信息地址LIA；
位置信息地址LIA由40位位置信息构成，具体的40位位置信息依次为：17位距离信息、2位正负标识符、10位水平方向夹角信息、1 位正负标识符、10位竖直方向夹角信息；
步骤2，利用时间信息加密地址；
利用时间信息作为秘钥对位置信息地址LIA中的距离信息进行加密，生成24位的部分加密地址PEA，作为子网地址的前段地址，具体步骤如下：
步骤2-1：外围设备获取建立连接后接收到位置信息数据包的时间，以日时钟计数，精确到秒，即计数范围为0-86400(24*60*60)，时间的最大取值为86400秒，将其转化为二进制需20位，因此，取20 位表示时间信息；
步骤2-2：将时间与距离信息进行Hash运算得到24位的部分加密地址PEA；
步骤3，面向连接的低功耗蓝牙IPv6地址自动配置；
IPv6地址依次由64位的子网前缀，24位的部分加密地址PEA，40 位的位置信息地址LIA组成；地址配置的具体方法如下：
步骤3-1：建立连接；
外围设备按照一定周期广播ADV_IND，中心设备在收到广播包之后，回应一个CONNECT_REQ数据包，该数据包携带了可决定后续“通信时序”的参数，决定了双方通信时间点，通信信道，跳频算法以及连接双方收发数据周期；
步骤3-2：生成子网地址；
中心设备将物理位置信息按照步骤1所示方法转化为位置信息地址LIA，并发送给外围设备，外围设备保存位置信息数据包的接收时间，按照步骤2所示方法，对距离信息加密，生成部分加密地址PEA，连接部分加密地址PEA和位置信息地址LIA生成子网地址，发送前缀地址请求数据包；
步骤3-3：地址配置；
中心设备发送携带路由地址前缀和前缀lifetime的CONTEXT数据包，外围设备将CONTEXT数据包里的64位路由地址前缀与本机子网地址进行配置，生成IPV6地址；外围设备向中心设备发送配置完成应答数据包。
进一步地，所述步骤1-2中，所述位置信息地址的构成，其中：
距离信息：
将其长度精确到毫米，转换为二进制表示；且对于低功耗蓝牙，其最大通信距离为50-100米，换算成毫米为单位，距离信息的最大值为100000毫米，将100000转换为二进制需取17位，因此，将物理位置信息转化为LIA时，取17位表示距离信息；
夹角信息：
将夹角正弦值(精确到小数点以后3位)的绝对值扩大1000倍，再将其转化为二进制表示，另外，由于夹角正弦值存在重复性，提出了使用正负标识符的方法来保证LIA的唯一性，具体方法如下：
水平方向上的夹角与其标识符的对应关系为：
夹角为0°，正负标识符为11；夹角为0～90°，正负标识符为11；夹角为90°，正负标识符为01；夹角为90～180°，正负标识符为01；夹角为180°，正负标识符为00；夹角为180～270°，正负标识符为00；夹角为270°，正负标识符为10；夹角为270～360°，正负标识符为10；
竖直方向上的夹角与其标识符的对应关系为：
夹角为0°，正负标识符为1；夹角为0～90°，正负标识符为1；夹角为90°，正负标识符为1；夹角为90～180°，正负标识符为0；夹角为180°，正负标识符为0。
进一步地，所述步骤2-2中，生成部分加密地址PEA的方法具体为：
用Time代表时间信息，Length为中心设备和外围设备之间的距离信息，Hash为对时间和距离信息进行16位MD5加密后生成的密文， Hash运算的具体步骤为：
步骤a，Hash＝MD5{Time|Length}，计算Hash值，其中|符号代表将两组二进制数顺次连接；
步骤b，PEA＝First(24,Hash)，即取Hash值的前24位，得到部分加密地址PEA。
本发明达到的有益效果为：该配置机制是对于低功耗蓝牙设备无状态地址配置方法的改进，基于相对位置信息生成为位置信息地址 (LIA)，保证了生成子网地址的唯一性，避免了重复地址检测，降低了功耗；以时间信息作为秘钥对地址进行部分加密，生成的部分加密地址(PEA)较难被解析，提高生成地址的安全性；为低功耗蓝牙设备配置全球可路由的IPv6地址，为实现低功耗蓝牙设备与互联网之间的无缝连接提供了可能，也为低功耗蓝牙设备广泛运用于物联网奠定了基础。
附图说明
图1为本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
基于相对位置信息的低功耗蓝牙IPv6地址自动加密配置机制，其特征在于：
所述地址自动加密配置机制包括如下步骤：
步骤1，基于相对位置信息的地址生成。
针对于低功耗蓝牙星状组网方式，根据中心设备和外围设备的相对物理位置信息得出位置信息地址LIA，作为子网地址后段地址，以保证子网地址唯一性，其具体过程如下：
步骤1-1：确定外围设备的相对位置坐标。
以中心设备为中心，建立三维极坐标系，通过测量得出外围设备的对应位置参数(ρ，θ，γ)，ρ精确到毫米，θ，γ精确到秒。
ρ为外围设备与中心设备的绝对距离。
θ为水平方向上，外围设备与中心设备连线相对于特定方向的夹角(从特定方向到连线逆时针旋转)，范围为0-360°。
γ为竖直方向上，外围设备与中心设备连线相对于特定方向(竖直向上)的夹角，范围为0-180°。
步骤1-2：根据位置信息生成位置信息地址LIA。
位置信息地址LIA由40位位置信息构成，具体的40位位置信息依次为：17位距离信息、2位正负标识符、10位水平方向夹角信息、1位正负标识符、10位竖直方向夹角信息；所述位置信息地址的构成，其中：
距离信息：
将其长度精确到毫米，转换为二进制表示；且对于低功耗蓝牙，其最大通信距离为50-100米，换算成毫米为单位，距离信息的最大值为100000毫米，将100000转换为二进制需取17位，因此，将物理位置信息转化为LIA时，取17位表示距离信息。
夹角信息：
将夹角正弦值(精确到小数点以后3位)的绝对值扩大1000倍，再将其转化为二进制表示，另外，由于夹角正弦值存在重复性，提出了使用正负标识符的方法来保证LIA的唯一性，具体方法如下。
水平方向上的夹角与其标识符的对应关系为：
夹角为0°，正负标识符为11；夹角为0～90°，正负标识符为 11；夹角为90°，正负标识符为01；夹角为90～180°，正负标识符为01；夹角为180°，正负标识符为00；夹角为180～270°，正负标识符为00；夹角为270°，正负标识符为10；夹角为270～360°，正负标识符为10。
竖直方向上的夹角与其标识符的对应关系为：
夹角为0°，正负标识符为1；夹角为0～90°，正负标识符为1；夹角为90°，正负标识符为1；夹角为90～180°，正负标识符为0；夹角为180°，正负标识符为0。
步骤2，利用时间信息加密地址。
利用时间信息作为秘钥对位置信息地址LIA中的距离信息进行加密，生成24位的部分加密地址PEA，作为子网地址的前段地址，具体步骤如下：
步骤2-1：外围设备获取建立连接后接收到位置信息数据包的时间，以日时钟计数，精确到秒，即计数范围为0-86400(24*60*60)，时间的最大取值为86400秒，将其转化为二进制需20位，因此，取 20位表示时间信息。
步骤2-2：将时间与距离信息进行Hash运算得到24位的部分加密地址PEA。
生成部分加密地址PEA的方法具体为：
用Time代表时间信息，Length为中心设备和外围设备之间的距离信息，Hash为对时间和距离信息进行16位MD5加密后生成的密文，Hash运算的具体步骤为：
步骤a，Hash＝MD5{Time|Length}，计算Hash值，其中|符号代表将两组二进制数顺次连接。
步骤b，PEA＝First(24,Hash)，即取Hash值的前24位，得到部分加密地址PEA。
步骤3，面向连接的低功耗蓝牙IPv6地址自动配置。
IPv6地址依次由64位的子网前缀，24位的部分加密地址PEA， 40位的位置信息地址LIA组成；地址配置的具体方法如下：
步骤3-1：建立连接。
外围设备按照一定周期广播ADV_IND，中心设备在收到广播包之后，回应一个CONNECT_REQ数据包，该数据包携带了可决定后续“通信时序”的参数，决定了双方通信时间点，通信信道，跳频算法以及连接双方收发数据周期。
步骤3-2：生成子网地址。
中心设备将物理位置信息按照步骤1所示方法转化为位置信息地址LIA，并发送给外围设备，外围设备保存位置信息数据包的接收时间，按照步骤2所示方法，对距离信息加密，生成部分加密地址 PEA，连接部分加密地址PEA和位置信息地址LIA生成子网地址，发送前缀地址请求数据包。
步骤3-3：地址配置。
中心设备发送携带路由地址前缀和前缀lifetime的CONTEXT数据包，外围设备将CONTEXT数据包里的64位路由地址前缀与本机子网地址进行配置，生成IPV6地址；外围设备向中心设备发送配置完成应答数据包。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于相对位置信息的低功耗蓝牙IPv6地址自动加密配置方法，其特征在于：
所述地址自动加密配置机制包括如下步骤：
步骤1，基于相对位置信息的地址生成；
针对于低功耗蓝牙星状组网方式，根据中心设备和外围设备的相对物理位置信息得出位置信息地址LIA，作为子网地址后段地址，以保证子网地址唯一性，其具体过程如下：
步骤1-1：确定外围设备的相对位置坐标；
以中心设备为中心，建立三维极坐标系，通过测量得出外围设备的对应位置参数(ρ，θ，γ)，ρ精确到毫米，θ，γ精确到秒；
ρ为外围设备与中心设备的绝对距离；
θ为水平方向上，外围设备与中心设备连线相对于特定方向的夹角，范围为0-360°；
γ为竖直方向上，外围设备与中心设备连线相对于特定方向的夹角，范围为0-180°；
步骤1-2：根据位置信息生成位置信息地址LIA；
位置信息地址LIA由40位位置信息构成，具体的40位位置信息依次为：17位距离信息、2位正负标识符、10位水平方向夹角信息、1位正负标识符、10位竖直方向夹角信息；
步骤2，利用时间信息加密地址；
利用时间信息作为秘钥对位置信息地址LIA中的距离信息进行加密，生成24位的部分加密地址PEA，作为子网地址的前段地址，具体步骤如下：
步骤2-1：外围设备获取建立连接后接收到位置信息数据包的时间，以日时钟计数，精确到秒，即计数范围为0至86400，时间的最大取值为86400秒，将其转化为二进制需20位，因此，取20位表示时间信息；
步骤2-2：将时间与距离信息进行Hash运算得到24位的部分加密地址PEA；
步骤3，面向连接的低功耗蓝牙IPv6地址自动配置；
IPv6地址依次由64位的子网前缀，24位的部分加密地址PEA，40位的位置信息地址LIA组成；地址配置的具体方法如下：
步骤3-1：建立连接；
外围设备按照一定周期广播ADV_IND，中心设备在收到广播包之后，回应一个CONNECT_REQ数据包，该数据包携带了可决定后续“通信时序”的参数，决定了双方通信时间点，通信信道，跳频算法以及连接双方收发数据周期；
步骤3-2：生成子网地址；
中心设备将物理位置信息按照步骤1所示方法转化为位置信息地址LIA，并发送给外围设备，外围设备保存位置信息数据包的接收时间，按照步骤2所示方法，对距离信息加密，生成部分加密地址PEA，连接部分加密地址PEA和位置信息地址LIA生成子网地址，发送前缀地址请求数据包；
步骤3-3：地址配置；
中心设备发送携带路由地址前缀和前缀lifetime的CONTEXT数据包，外围设备将CONTEXT数据包里的64位路由地址前缀与本机子网地址进行配置，生成IPv6地址；外围设备向中心设备发送配置完成应答数据包。
2.根据权利要求1所述的一种基于相对位置信息的低功耗蓝牙IPv6地址自动加密配置方法，其特征在于：所述步骤1-2中，所述位置信息地址的构成，其中：
距离信息：
将其长度精确到毫米，转换为二进制表示；且对于低功耗蓝牙，其最大通信距离为50-100米，换算成毫米为单位，距离信息的最大值为100000毫米，将100000转换为二进制需取17位，因此，将物理位置信息转化为LIA时，取17位表示距离信息；
夹角信息：
将精确到小数点以后3位的夹角正弦值的绝对值扩大1000倍，再将其转化为二进制表示，另外，由于夹角正弦值存在重复性，提出了使用正负标识符的方法来保证LIA的唯一性，具体方法如下：
水平方向上的夹角与其标识符的对应关系为：
夹角为0°，正负标识符为11；夹角为0～90°，正负标识符为11；夹角为90°，正负标识符为01；夹角为90～180°，正负标识符为01；夹角为180°，正负标识符为00；夹角为180～270°，正负标识符为00；夹角为270°，正负标识符为10；夹角为270～360°，正负标识符为10；
竖直方向上的夹角与其标识符的对应关系为：
夹角为0°，正负标识符为1；夹角为0～90°，正负标识符为1；夹角为90°，正负标识符为1；夹角为90～180°，正负标识符为0；夹角为180°，正负标识符为0。
3.根据权利要求1所述的一种基于相对位置信息的低功耗蓝牙IPv6地址自动加密配置方法，其特征在于：所述步骤2-2中，生成部分加密地址PEA的方法具体为：
用Time代表时间信息，Length为中心设备和外围设备之间的距离信息，Hash为对时间和距离信息进行16位MD5加密后生成的密文，Hash运算的具体步骤为：
步骤a，Hash＝MD5{Time|Length}，计算Hash值，其中|符号代表将两组二进制数顺次连接；
步骤b，PEA＝First(24,Hash)，即取Hash值的前24位，得到部分加密地址PEA。
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《物联网轻量级IP寻址技术研究》;骆冰清;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20170515;全文 *
Three-dimensional Location-based IPv6 Addressing;Chih-Yung Cheng等;《IEEE》;20120419;全文 *

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