CN110138811B

CN110138811B - 一种用于物联网数据传输的加密方法

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Publication number: CN110138811B
Application number: CN201910590700.3A
Authority: CN
Inventors: 沈轶
Original assignee: Chongqing Material Source Chain Technology Co ltd
Current assignee: Chongqing Material Source Chain Technology Co ltd
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2039-07-02
Also published as: CN110138811A

Abstract

一种用于物联网的加密方法，包括以下步骤：S1初始设置‑S2计算出数值变量‑S3计算残余值‑S4匹配验证‑S5加密传输信息‑S6接受并审核加密信息‑S7核对索引‑S8解密。本发明具有如下的优点：可有效加强物联网传输过程中的信息安全性，大大延长破解时间，增加破解难度，且独立于物联网基础设施，易于应用；此外，适用范围广，不受终端产品限制。

Description

一种用于物联网数据传输的加密方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种用于物联网数据传输的加密方法。

背景技术

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是：“Internet of things(IoT)”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

对于载有通信功能和自身采集并处理数据功能的物联网设备和物联网系统。比如空调的使用，操作者会通过手机等终端设备发出信息对空调进行控制，反之空调有故障时也会将故障相关信息传递给手机等终端设备。由于发送端和接收端之间的信息传递方式较为简单，很有可能成为网络空间的攻击对象；加之远程终端和中央控制器之间的数据也因使用如ASIC等在使用过程中一直耗电的专用芯片，进而导致功耗和成本的增加，使得构成目前物联网的物联网设备大体上计算功能简单、安全性薄弱，处于容易受到攻击的状态。基于物联网网络的特点，特定领域的安全性薄弱及基于该薄弱环节的网络攻击，会导致对其相关产业领域产生恶劣影响的副作用。

物联网管理着海量的物联网终端，物联网终端通过接入节点接入到互联网，以将采集的数据上报给汇聚单元，由汇聚单元完成对数据的分析、处理等，最后实现对物联网终端的控制、管理等。数据在传输过程中，如果没有加密，容易造成数据泄露，攻击者可以轻易地盗取到数据。目前采用的加密方式一般为物联网终端采用固定加密算法加密，而在汇聚单元采用非对称解密算法解密，这种加解密方式存在容易破解、安全性低等问题。

现有技术中，人们往往重视物联网带来的方便，而对其使用缺乏保护意识。现有的信息保护有关系统中，非法用户通过获取合法用户的个人信息、密码、生物信息等进行黑客行为。作为一反面示例，认证机构(Certificate Authority)发行的公钥认证书由于没有个人认证信息，因此如果能够盗取公钥认证书和认证书密码，则存在他人可以非法使用的缺点。此外，如果盗取了用户的账号、密码或者详细信息等并且知道用户的认证信息时，利用正常的终端在远端登录企业或者政府机关的业务系统，则存在非法使用业务系统的问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种用于物联网的加密方法，其可有效加强物联网传输过程中的信息安全性，大大延长破解时间，增加破解难度，且独立于物联网基础设施，易于应用；此外，适用范围广，不受终端产品限制。

本发明的目的是这样实现的，它包括以下步骤：

S1，初始设置：自定义数值变量Q和索引R，并输入SN序列号；

S2，计算出数值变量：利用密钥算法对SN序列号进行计算得出结果放入数值变量Q中；

S3，计算残余值：将计算得出的数值变量进行多项式除法或多项式除法和与算法，获得2个或2个以上比特的数据放入索引R中；

S4，匹配验证：将索引R与数据库中的算法编号验证，若可以匹配到加密算法编号则进行S5；否则，进行异常处理，返回至步骤S1；

S5，加密传输信息：匹配到的加密算法对有效荷载进行加密，并与索引R形成混合加密信息进行传输；

S6，接受并审核加密信息：接受混合加密信息，并对其进行审核，审核成功则提取数据包并进行S7，否则进行纠错，重新进入审核；

S7，核对索引：若索引R与数据库中的算法编号匹配，则进行S8，否则进行纠错，重新进入审核；

S8，解密：根据混合加密信息中的索引R，从数据库中选择对应的解密算法对混合加密信息进行解密，输出有效荷载，执行命令并结束。

在本发明中，数值变量Q和索引R均为一个数值变量，可以用来容纳数值；每件产品都具有全球唯一的128位SN序列号，在通过密钥算法在加强破解难度的同时，保证了结果的唯一性，方便后期使用和选择。进一步地，将密钥通过多项式除法获得至少2比特的数据包，用来标注选择的加解密算法；其使用的最少比特的数据包为2比特的数据包，其包括00、01、10和11四种，放置在有效载荷头部用来标注不同的加解密算法，以便后面对数据库中加解密算法对应编号进行选择。在信息传递过程中，发送端执行步骤S1至S5，通过加解密算法将有效荷载进行加密，并与加解密算法对应的索引R结合形成信息数据包并进行发送；接收端执行步骤S6至S8，接收信息数据包，从索引R中获得加解密算法，并通过对应的密钥算法进行解密，从而获得有效荷载中的信息,最终根据有效荷载中的信息进行相应的命令执行，并结束。

整个加密方法中，首先使用密钥算法对所使用的SN序列号进行保护，增加破解难度；利用不同的多项式作除法获得数据包作为不同数据加解密算法的索引，且只有发送端和输出端拥有匹配的信息，进一不增加了信息数据包在传输过程中的破解难度，大大延长破解时间，有效加强物联网传输过程中的信息安全性。此外，整套算法是独立于物联网基础设施，可以方便的应用于各物联网，不受终端产品限制，适用范围广。

进一步地，S1中密钥算法为哈希算法或伪随机发生算法。

进一步地，S4中异常处理为重新输入SN序列号。

进一步地，S6和S7中的纠错为重新接收混合加密信息。

进一步地，有效荷载为发送端或接收端发出或反馈的信息。

进一步地，加解密算法为DES算法、3DES算法、AES128算法、AES256算法、国密算法、BlowFish算法、IDEA算法、TEA算法、RC4流密码或MD5算法，其中选用上述加解密算法中的4种或4种以上进行运算。

进一步地，多项式除法获得2或2个以上比特数据包的方法为采用多项式F(x)除法，多项式F(x)的最高次幂项的指数为128与获得数据包比特数之差。

进一步地，多项式除法获得2或2个以上比特数据包的方法为采用多项式F(x)的最高次幂项的指数小于128与获得数据包比特数之差时，需要多项式除法获得大于所需的数据包比特数，然后采用与运算保留最终需要的数据包比特数。

进一步地，S3中多项式为F(x)＝x¹⁶+x¹³+x⁴+x²+1。

进一步地，加解密算法的进行是通过现场可编程门阵列来进行的。使用FPGA下载器将其信息下载到如类似Lora的无线系统中，仅在发送或接收信息时需要消耗功率时，其余时间处于关闭模式或休眠模式。此外，载有编号的加解密算法也存储在其中进行发挥作用。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：其可有效加强物联网传输过程中的信息安全性，大大延长破解时间，增加破解难度，且独立于物联网基础设施，易于应用；此外，适用范围广，不受终端产品限制。

附图说明

图1是本发明中用于物联网的加密方法的流程示意图；

图2是本发明中用于物联网的加密方法的一种硬件装配示意图；

图3是本发明中用于物联网的加密方法中一种未加密数据包示意图；

图4是本发明中用于物联网的加密方法中一种加密的数据包示意图；

图5是本发明中用于物联网的加密方法的一种应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图5所示，一种用于物联网的加密方法，包括以下步骤：

S1，初始设置：自定义数值变量Q和索引R，并输入SN序列号；

S8，解密：根据混合加密信息中的索引R，从数据库中选择对应的解密算法对混合加密信息进行解密，输出有效荷载，依照有效荷载执行命令并结束。

在本发明中，数值变量Q和索引R均为一个数值变量，可以用来容纳数值；每件产品都具有全球唯一的128位SN序列号，在通过密钥算法在加强破解难度的同时，保证了结果的唯一性，方便后期使用和选择。进一步地，将密钥通过多项式除法获得至少2比特的数据包，用来标注选择的加解密算法；其使用的最少比特的数据包为2比特的数据包，其包括00、01、10和11四种，放置在有效载荷头部用来标注不同的加解密算法，以便后面对数据库中加解密算法对应编号进行选择。在信息传递过程中，发送端执行步骤S1至S5，通过加解密算法将有效荷载进行加密，并与加解密算法对应的索引R结合形成信息数据包并进行发送；接收端执行步骤S6至S8，接收信息数据包，从索引R中获得加解密算法，并通过对应的密钥算法进行解密，从而获得有效荷载中的信息,最终根据有效荷载中的信息进行相应的命令执行并结束。

整个加密方法中，首先使用密钥算法对所使用的SN序列号进行保护，增加破解难度；利用不同的多项式作循环冗余校验获得数据包作为不同数据加解密算法的索引，且只有发送端和输出端拥有匹配的信息，进一不增加了信息数据包在传输过程中的破解难度，大大延长破解时间，有效加强物联网传输过程中的信息安全性。此外，整套算法是独立于物联网基础设施，可以方便的应用于各物联网，不受终端产品限制，适用范围广。

进一步地，S1中密钥算法为哈希算法或伪随机发生算法。优选地，哈希算法更不易被他人破解用于生成秘钥的原始序列号，进一步增加了破解难度。此外，哈希算法或伪随机发生算法均是现有已经成熟的技术。

进一步地，S4中异常处理为重新输入SN序列号。当整个流程完成后，会进行初步校验，使得流程完善可进行；而当自定义数值变量Q和索引R后，在输入SN序列号过程中会出现相应的错误，最有效的方式便是进行SN序列号的重新输入。

进一步地，S6和S7中的纠错为重新接收混合加密信息。具体地，S6中审核，主要是通过CRC校验，即循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check)，是数据通信领域中最常用的一种查错校验码，其特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。循环冗余检查(CRC)是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性，CRC属于成熟技术，其并不是本发明中的保护点。S7中索引R与数据库中的算法编号验证，匹配到加密算法编号即进行下面的算法解密，否则直接重新接收相应信息进行重新验证。发送端和输出端均含有相同编号的加密算法数据库，保证发送端和输出端前后的匹配性和一致性。

进一步地，有效荷载为发送端或接收端发出或反馈的信息。具体地，发送端和接收端可以为物联网设施，即远程设备终端，也可以为手机、电脑等控制终端设施；有效载荷为发送端或接收端发送的指令或者反馈信息。

进一步地，加解密算法为DES算法、3DES算法、AES128算法、AES256算法、国密算法、BlowFish算法、IDEA算法、TEA算法、RC4流密码或MD5算法，其中选用上述加解密算法中的4种或4种以上进行运算。当索引R的长度为2比特数据包时，只有00、01、10和11四种用来标注不同的加解密算法，因而最少的算法的数量为4种，也可以根据需求进行选择更多的加密算法及相应的索引R长度。

进一步地，加解密算法为DES算法、3DES算法、AES128算法、AES256算法、国密算法、BlowFish算法、IDEA算法、TEA算法、RC4流密码或MD5算法，其中选用上述加解密算法中的4种或4种以上进行运算。与上述方案相对应，采取上述加解密算法中的8种即可。

进一步地，S3中多项式除法获得2或2个以上比特数据包的方法为采用多项式F(x)除法，多项式F(x)的最高次幂项的指数为128与获得数据包比特数之差。差即索要获得的比特数据包的比特数，例如需要获得2比特数据包，则直接选用128减2等于的126作为指数即可，其余的项数及指数可随机进行选择。

进一步地，S3中多项式除法获得2或2个以上比特数据包的方法为采用多项式F(x)除法和与算法，多项式F(x)的最高次幂项的指数小于128与获得数据包比特数之差时，需要多项式除法最终获得大于所需的数据包比特数，然后采用与运算保留最终需要的数据包比特数。

进一步地，S3中当多项式除法获得3个以上比特数据数据包时，进行与运算后获得3个比特数据包用作拾取不同数据加解密的索引R。多项式除法，即选择一多项式作为被除式，使用根据产品上SN序列号通过密钥算法计算出的密钥对其进行多项式除法，从而得到3个以上比特数据包；优选地，使用与运算对3个以上的比特数据包进行运算，具体的采用000…000111进行运算，最终获得3个比特数据包，分别存在000、001、010、100、011、101、、110和111共8种索引，并作为8种加解密算法的索引R。

进一步地，S3中多项式为F(x)＝x¹⁶+x¹³+x⁴+x²+1。选择此多项式，并不同于现有常用的标准多项式，使得破解者即便知晓才用了SN序列号、密钥及多项式除法的情况下，也无法准确得知多项式除法中采取的是哪个具体的多项式，从而大大增加了破解难度。当然，在其他实施例中还可以选择其他多项式。在经过本实施例中的多项式的选择下，最终得到16或16个以上的个比特的数据包，进而可进行与运算，具体的，当为16个比特时，与0000000000000111进行与运算，即可获得所需要的3比特数据包，最终确定采用的是哪种加解密算法。在解密过程中，只需要进行相应的逆运算即可。

进一步地，加解密算法以及整个过程的进行均是通过现场可编程门阵列来进行的。可编程门阵列速度快，并降低了功耗。发送端和接收端均是通过现场可编程门阵列，即FPGA来实现的。与传统模式的芯片设计进行对比，FPGA芯片并非单纯局限于研究以及设计芯片，而是针对较多领域产品都能借助特定芯片模型予以优化设计；从芯片器件的角度讲，FPGA本身构成了半定制电路中的典型集成电路，其中含有数字管理模块、内嵌式单元、输出单元以及输入单元等；在此基础上，关于FPGA芯片有必要全面着眼于综合性的芯片优化设计，通过改进当前的芯片设计来增设全新的芯片功能，据此实现了芯片整体构造的简化与性能提升。

本发明中的用于物联网的加密方法可以提供动态变化，可将不同的加解密算法应用于不同的数据；此外，易于交换密钥而不损害系统的安全性，为将来的新算法的更新或修改提供了更大的灵活性。

本发明中的所有加解密算法可以在一个密钥算法下运用，还可以在一个主密钥下具有不同的子密钥，进一步增加每个索引的计算难度。

本发明中，使用的其中之一的加解密工作机制代码如下：

Claims

1.一种用于物联网的加密方法，包括以下步骤：

S1，初始设置：自定义数值变量Q和索引R，并输入SN序列号；

2.根据权利要求1所述的用于物联网的加密方法，其特征在于：S1中密钥算法为哈希算法或伪随机发生算法。

3.根据权利要求1所述的用于物联网的加密方法，其特征在于：S4中异常处理为重新输入SN序列号。

4.根据权利要求1所述的用于物联网的加密方法，其特征在于：S6和S7中的纠错为重新接收混合加密信息。

5.根据权利要求1所述的用于物联网的加密方法，其特征在于：有效荷载为发送端或接收端所发出或反馈的信息。

6.根据权利要求1所述的用于物联网的加密方法，其特征在于：加解密算法为DES算法、3DES算法、AES128算法、AES256算法、国密算法、BlowFish算法、IDEA算法、TEA算法、RC4流密码或MD5算法，其中选用上述加解密算法中的4种或4种以上进行运算。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的用于物联网的加密方法，其特征在于：S3中多项式除法获得2或2个以上比特数据包的方法为采用多项式F(x)除法，多项式F(x)的最高次幂项的指数为128与获得数据包比特数之差。

8.权利要求1至6中任一权利要求所述的用于物联网的加密方法，其特征在于：S3中多项式除法获得2或2个以上比特数据包的方法为采用多项式F(x)除法和与算法，多项式F(x)的最高次幂项的指数小于128与获得数据包比特数之差时，需要多项式除法获得大于所需的数据包比特数，然后采用与运算保留最终需要的数据包比特数。

9.根据权利要求8所述的用于物联网的加密方法，其特征在于：S3中多项式为F(x)＝x¹⁶+x¹³+x⁴+x²+1。