CN109389710A - 基于rsa算法与ble低功耗蓝牙的智能门锁系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统,涉及智能设备领域,该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统由门锁端和钥匙端构成,门锁端负责验证钥匙端的合法性,钥匙端负责向门锁端提供足够健壮的认证信息,认证成功即开锁成功。将门锁端作为蓝牙主机,虽然会使门锁的功耗略微增加,但却能有效的在物理层面解决连接报文泛洪攻击的问题。

Description

基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统
技术领域
本发明涉及智能设备领域,特别涉及一种基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统。
背景技术
目前市面上的智能门锁大多标榜多种多样的开锁技术,各种生物识别技术已相对成熟,但蓝牙与RFID的开锁方式极易受到重放攻击的影响。智能门锁与开锁方式是水桶与木板的关系,一旦一种开锁方式遭到破解,那其它开锁方式再安全都是无用的。目前多数蓝牙智能锁都会被攻破,智能门锁很多存在安全漏洞,极易被攻击者利用。
漏洞不在于蓝牙协议本身,而在于各个门锁厂商的通讯安全机制,可以通过工具反向修改用户密码,替换掉合法用户的密码,使智能锁失效,甚至会陷入“无法开锁-无法重置密码”的死循环。通过蓝牙复制器复制下加密后的密码并记录下,随后用这组密文依然可以打开门锁,这在日常使用中就存在非常大的安全隐患,不法分子在合法用户开锁时可以在附近偷偷复制下用户密码,随后便可以像出入自家一样开启智能门锁,不再需要任何技术手段;还有一款Okidokeys智能门锁使用了专有的加密模式,测试者尝试向其发送随机数据以发起模糊攻击,当改变了加密字符串中的一个字节,这款门锁就会报错,门锁也会打开。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统,由门锁端和钥匙端构成,门锁端负责验证钥匙端的合法性,钥匙端负责向门锁端提供足够健壮的认证信息,认证成功即开锁成功。将门锁端作为蓝牙主机,虽然会使门锁的功耗略微增加,但却能有效的在物理层面解决连接报文泛洪攻击的问题。
为实现上述目的,本发明提供以下的技术方案:
该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统包括门锁端和钥匙端,二者均使用Windows虚拟机+蓝牙适配器主机、蓝牙适配器从机模拟,开发语言使用C++,其中门锁端具有通过蓝牙收发数据、生成随机数、时钟、日志记录以及解密等功能;钥匙端具有通过蓝牙收发数据、加密的功能,该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统的具体实施方法如下:
(1)使用两台虚拟机以及BLE模块一台模拟智能门锁,一台模拟智能钥匙,一台模拟智能钥匙,通过串口通信使二者在互相进入连接范围内后自动连接;
(2)使用C++语言编写一款程序,生成一组随机数,将这组随机数利用串口通信通过BLE模块发送至钥匙端;
(3)钥匙端存有一个ID和一套公钥,接收到随机数后将这组随机数用该公钥加密,再通过BLE发送回门锁端;
(4)门锁端存有多组ID以及与其对应的私钥;门锁通过该ID对应的私钥,解密该数据,并与之前生成的随机数对比,若相同则输出开锁成功,若不同则输出开锁失败,将此次开锁纪录记录在日志中(生成一个txt文件);
(5)当一个钥匙丢失时不必担心钥匙被非法利用,及时删除门锁端对应的ID及私钥即可有效避免丢失的钥匙被不法分子利用。
采用以上技术方案的有益效果是:该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统由门锁端和钥匙端构成,门锁端负责验证钥匙端的合法性,钥匙端负责向门锁端提供足够健壮的认证信息,认证成功即开锁成功。将门锁端作为蓝牙主机,虽然会使门锁的功耗略微增加,但却能有效的在物理层面解决连接报文泛洪攻击的问题。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
图1是该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统的运行逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统的优选实施方式。
图1出示本发明基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统的具体实施方式:
如图1所示,该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统包括门锁端和钥匙端,二者均使用Windows虚拟机+蓝牙适配器主机、蓝牙适配器从机模拟,开发语言使用C++,其中门锁端具有通过蓝牙收发数据、生成随机数、时钟、日志记录以及解密等功能;钥匙端具有通过蓝牙收发数据、加密的功能,该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统的具体实施方法如下:
(1)使用两台虚拟机以及BLE模块一台模拟智能门锁,一台模拟智能钥匙,一台模拟智能钥匙,通过串口通信使二者在互相进入连接范围内后自动连接;
(2)使用C++语言编写一款程序,生成一组随机数,将这组随机数利用串口通信通过BLE模块发送至钥匙端;
(3)钥匙端存有一个ID和一套公钥,接收到随机数后将这组随机数用该公钥加密,再通过BLE发送回门锁端;
(4)门锁端存有多组ID以及与其对应的私钥;门锁通过该ID对应的私钥,解密该数据,并与之前生成的随机数对比,若相同则输出开锁成功,若不同则输出开锁失败,将此次开锁纪录记录在日志中(生成一个txt文件);
(5)当一个钥匙丢失时不必担心钥匙被非法利用,及时删除门锁端对应的ID及私钥即可有效避免丢失的钥匙被不法分子利用。
对针对本系统的可行性分析主要基于以下几方面:
(1)经济可行性
该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统中使用的实验硬件仅需两台PC(同一开启两个串口后即可在同一台PC上同时测试)以及一对BLE低功耗蓝牙主从机,蓝牙适配器串口芯片采用Silicon LABS公司的CP2102桥接芯片,价格为¥256/对,而开发该系统所用的C++MFC是免费使用的,串口通信与RSA加密算法的使用在网络上以及相关书籍中也有非常详尽的教程,相关测试也不再需要任何花费,因本设计设计的是一个模拟的安全系统,没有涉及到电控门锁的硬件实现,因此具有一定的经济可行性,值得进行深入研究。
(2)技术可行性
本设计使用C++语言开发,在该语言下可完美实现使用串口收发数据,且相关教学资源丰富;而RSA算法的加密和解密的过程是一种很简单运算,使用C++语言非常容易实现,目前唯一的难点在于长密钥的调用,相信在后续的研究中也会迎刃而解,其余需要使用到的算法(如生成随机数等)也能够较为容易的实现;本系统所需要的运算也不需要占用较多的资源,我们日常使用的PC甚至移动端处理器即可满足需求,因此本系统在技术可行性方面完全可行。
(3)操作可行性
因该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统为一套模拟硬件系统,只预留了电控硬件的接口,并没有将其物理实现,因此在实验中仅需验证其逻辑与算法是否可行,以及蓝牙串口是否能调通并互相通信,设计中所需要使用的代码段也已整理好,因此本系统具有完美的操作可行性。
(4)时间可行性
C++语言的语句较为简单,且库函数完善,笔者之前也有过C语言的相关基础,而本系统的实现并不复杂,因此在规定时间内完成本系统并不困难。
而在系统运行时间可行性上,该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统的运行复杂度与运算量并不高,因此可以在非常短的时间内完成验证和开锁操作。
该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统由门锁端和钥匙端构成,门锁端负责验证钥匙端的合法性,钥匙端负责向门锁端提供足够健壮的认证信息,认证成功即开锁成功。
该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统的门锁端架构设计
一、硬件平台
(1)搭载Windows 10操作系统的个人电脑
(2)LY50A02型USB转串口BLE低功耗蓝牙模块(蓝牙主机)
二、程序设计
(1)时钟(计时器)
通过时钟计时以刷新随机数,并释放上一组随机数,以保证系统的实时性。测试系统的释放时间拟预设为60秒,在后续测试中不断减小这一参数,以达到一个安全又不会影响系统安全性的均衡数值。
(2)自动搜索钥匙端并自动连接
在程序中预先存储钥匙端的MAC地址,当钥匙与门锁进入连接范围后自动连接。本测试系统中预设两把智能钥匙,门锁轮流嗅探这两把钥匙的MAC地址,当其中一把钥匙连接成功后停止嗅探。
(3)模拟开锁按键
在程序中预设模拟“开锁”按钮,此按钮用于模拟未来设计于实体门锁之上的实体按钮,按下开锁按钮后程序执行后续操作。
(4)随机数生成
当按下“开锁”按钮后,程序生成一串十位(2位*5)的随机数。
(5)蓝牙串口通信
门锁端与钥匙端连接成功后可通过蓝牙串口互相发送数据。
(6)RSA解密密钥与解密算法
将RSA解密密钥(公钥)与解密算法内嵌于门锁端程序中,用于解密由钥匙端发回的密文,具体流程参见图1。
(7)开锁日志
生成一个txt文档用于存储开锁操作记录,便于日后使用过程中随时查看监测。该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统的钥匙端架构设计。
一、硬件平台
(1)搭载Windows 10操作系统的个人电脑(未来可嵌入搭载Windows 10IoT操作系统的树莓派中,或经修改嵌入到智能手机或智能手表等随身电子设备中)
(2)USB转串口BLE低功耗蓝牙模块(蓝牙从机)
二、程序设计
(1)被动连接进入连接范围内的智能门锁
智能钥匙搭载蓝牙(BLE)单模从机,其MAC地址预存于智能门锁中,进入连接范围后即可被搜索到并被连接,一把钥匙仅对应一套智能门锁。
(2)蓝牙串口通信
功能同3.4.1二、(5)
(3)RSA加密密钥与加密算法
将RSA加密密钥(私钥)与加密算法内嵌于钥匙端程序中,用于加密由门锁端发来的明文。
该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统运行逻辑
当门锁和钥匙配对成功后,用户按下门锁端开锁按键后,门锁端随机生成一组10位随机数A,门锁端将这串随机数经由蓝牙串口发送至钥匙端,同时计时器开始计时;钥匙端收到这一串随机数后,使用RSA加密算法和加密密钥将其加密为密文M,随后将密文M经由蓝牙串口返回门锁端,计时结束,得到时间t;门锁收到密文M后首先判定时间t是否小于规定的时间T(默认为60秒),随后使用解密算法以及解密密钥将密文M解密为明文a,通过比对随机数A与明文a,若A与a相等,则验证通过,输出开锁成功,清除随机数。
以上的仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统,其特征在于:所述基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统包括门锁端和钥匙端,二者均使用Windows虚拟机+蓝牙适配器主机、蓝牙适配器从机模拟,开发语言使用C++,其中门锁端具有通过蓝牙收发数据、生成随机数、时钟、日志记录以及解密等功能;钥匙端具有通过蓝牙收发数据、加密的功能,该基于RSA算法与BLE低功耗蓝牙的智能门锁系统的具体实施方法如下:
(1)使用两台虚拟机以及BLE模块一台模拟智能门锁,一台模拟智能钥匙,一台模拟智能钥匙,通过串口通信使二者在互相进入连接范围内后自动连接;
(2)使用C++语言编写一款程序,生成一组随机数,将这组随机数利用串口通信通过BLE模块发送至钥匙端;
(3)钥匙端存有一个ID和一套公钥,接收到随机数后将这组随机数用该公钥加密,再通过BLE发送回门锁端;
(4)门锁端存有多组ID以及与其对应的私钥;门锁通过该ID对应的私钥,解密该数据,并与之前生成的随机数对比,若相同则输出开锁成功,若不同则输出开锁失败,将此次开锁纪录记录在日志中(生成一个txt文件);
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