CN110278068B - 基于混沌序列的LoRa通信加密系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的基于混沌序列的LoRa通信加密系统，包括发送端和接收端，发送端包括数据生成模块、混沌序列生成器、加密模块和第一无线通信模块；接收端包括第二无线通信模块、解密模块和数据处理模块；数据生成模块、混沌序列生成器均与加密模块输入端连接；加密模块输出端与第一无线通信模块连接；第一无线通信模块与第二无线通信模块无线通信连接；第二无线通信模块与解密模块输入端连接；解密模块输出端与数据处理模块连接。本发明提供的一种基于混沌序列的LoRa通信加密系统，还提供该系统的实现方法，充分利用混沌序列的伪随机特性，令恶意攻击者难以检测到传输信号，即便检测到信号也难以破译获取原始数据，有效提高了系统的安全性。

Description

基于混沌序列的LoRa通信加密系统
技术领域
本发明涉及物联网无线通信技术领域，更具体的，涉及一种基于混沌序列的 LoRa通信加密系统，还涉及该系统的实现方法。
背景技术
随着物联网的快速发展，无线通信技术也得以需要进行迈步发展，如今涌现出了许多低带宽、能耗低、距离远、能做到大量连接的以物联网应用而设计的低功耗广域网(LPWAN)。其中LoRa技术则是从中脱颖而出，并得到物联网界的认可。
LoRa的诞生比NB-IoT要早些，2013年8月,Semtech公司向业界发布了一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术的芯片。其接收灵敏度达到了-148dbm，与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收灵敏度改善了20db以上，确保了网络链接的可靠性。LoRa凭借其成本低，分布广，耐用性强，技术成熟的特点使其已经广泛的应用于各个物联网行业，优良的性能和已被广泛应用于物联网、集中抄表、工业控制等方向。目前，有83个运营商公开宣布部署了LoRa网络，LoRa网络覆盖超过了一百个国家。
然而，LoRa网络工作在非授权频段，这虽然有利于LoRa网络的大规模推广，但是却为未来的网络安全埋下隐患。此外，它的协议规范是公开的，这就带来一个问题——易受攻击。一种常用的攻击方式是“恶意拥塞”，攻击者使用LoRa 设备，在125kHz带宽，发送最大长度preamble(前导码)，那么该通道将被恶意占用。只要攻击者遵守duty cycle和发射功率，这种攻击是“合法的”。另外一种攻击就是重放攻击，通过记录正常通信的信号，然后在认证者询问时发送记录数据信号，达到欺骗目的。
随着大规模物联网的商用部署的不断增加，在智慧城市、智能环保、智慧农业、智慧医疗、智能家居等应用场景，LoRa部署的终端和网络数量越大，所带来的安全问题和风险挑战越大，如何为LoRa网络中的终端对终端通信，以及终端对网关通信提供一个安全的通信环境是一个必须要解决的难题。
发明内容
本发明为克服现有的LoRa网络存在无法抵抗恶意拥塞攻击、重传攻击的技术缺陷，提供一种基于混沌序列的LoRa通信加密系统。
本发明还提供基于混沌序列的LoRa通信加密系统的实现方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
基于混沌序列的LoRa通信加密系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括数据生成模块、混沌序列生成器、加密模块和第一无线通信模块；所述接收端包括第二无线通信模块、解密模块和数据处理模块；其中：
所述数据生成模块、混沌序列生成器均与所述加密模块输入端连接；
所述加密模块输出端与所述第一无线通信模块连接；
所述第一无线通信模块与所述第二无线通信模块无线通信连接；
所述第二无线通信模块与所述解密模块输入端连接；
所述解密模块输出端与所述数据处理模块连接。
其中，所述加密模块包括混沌交织单元、数据切割分组单元、混沌序列跳频单元和混沌同步单元；其中：
所述混沌交织单元输入端与所述数据生成模块、混沌序列生成器连接；
所述混沌交织单元输出端与所述数据切割分组单元输入端连接；
所述数据切割分组单元输出端与所述混沌序列跳频单元输入端、混沌同步单元输入端连接；
所述混沌序列跳频单元输出端、混沌同步单元输出端与所述第一无线通信模块连接；
所述混沌序列生成器与所述混沌同步单元输入端连接。
其中，所述解密模块包括密钥监听提取单元、混沌序列生成器、跳频解密单元和数据解密单元；其中：
所述密钥监听提取单元输入端与所述第二无线通信模块连接；
所述密钥监听提取单元输出端与所述混沌序列生成器输入端连接；
所述混沌序列生成器输出端与所述跳频解密单元输入端连接；
所述跳频解密单元与所述第二无线通信模块连接；
所述跳频解密单元、混沌序列生成器输出端与所述数据解密单元输入端连接；
所述数据解密单元输出端与所述数据处理模块连接。
其中，所述第一无线通信模块、第二无线通信模块均为Lora无线通信模块。
基于混沌序列的LoRa通信加密系统的实现方法，包括以下步骤：
S1：生成原始数据；
S2：对原始数据进行加密并发送；
S3：接收加密数据并进行解密，得到原始数据；
S4：对原始数据进行处理。
其中，在所述步骤S1中，由所述数据生成模块生成原始数据。
其中，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：由混沌序列生成器生成的混沌序列并生成第一密钥、第二密钥，混沌序列与原始数据在混沌交织单元中实现混沌交织；
S22：将混沌交织后的数据在数据切割分组单元进行数据的切割与分组；
S23：判断当前发送组数是否为第一组或者组数是100的倍数；若是，则由混沌同步单元将频点设置为默认频点f0，并发送第一密钥和第二密钥；否则执行步骤S24；
S24：由混沌序列生成器根据第二密钥为每一组生成对应的频点，由混沌序列跳频单元在对应频点上发送信息；
S25：第一无线通信模块将从混沌同步单元、混沌序列跳频单元送到的数据发送至接收端。
其中，所述第一密钥用于实现对数据在系统的数据链路层进行加密，混沌序列生成器根据第一密钥生成混沌序列；所述第二密钥用于实现对数据在系统的物理层进行加密。
其中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：密钥监听提取单元默认在频点f0监听是否有密钥信息传输，若是，提取第一密钥、第二密钥；否则，重复地在频点f0监听；
S32：将第一密钥送入混沌序列生成器，重新生成混沌序列；
S33：将第二密钥送入混沌序列生成器，重新生成混沌序列跳变频点；
S34：跳频解密单元根据混沌序列跳变频点接收并进行数据解密，得到各频点中的数据；
S35：数据解密单元根据重新生成混沌序列和各频点中的数据进行解密，得到传输的原始数据。
其中，当发送的组数为100的倍数时，重新生成第二密钥并将其在默认频点 f0发送出去。
上述方案中，数据生成模块为物联网中感知层的各种终端设备，如水位检测器、温度传感器、位移传感器或网关的数据处理器等可以生成系统传输的数据，并以比特流的形式传输给加密模块。
上述方案中，加密模块完成三个功能，包括将接收到的比特流在数据链路层进行加密，生成基于混沌序列的跳频频点，与无线通信模块结合对发送信号进行物理层的加密，实现跳频通信中的信号同步。
上述方案中，当发送的组数为100的倍数时，重新生成第二密钥并将其在默认频点f0发送出去是为了减小收发两端失步的概率及被重发攻击的概率。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的一种基于混沌序列的LoRa通信加密系统，还提供该系统的实现方法，在数据链路层中对传输数据进行交织加密，在物理层中对传输数据进行跳频加密，充分利用混沌序列的伪随机特性，令恶意攻击者难以检测到传输信号，即便检测到信号也难以破译获取原始数据，有效提高了系统的安全性。
附图说明
图1为本发明所述系统的结构示意图；
图2为加密模块的内部连接示意图；
图3为解密模块的内部连接示意图；
图4为Logistic映射迭代轨迹图；
图5为本发明所述实现方法的流程示意图；
图6为加密过程流程示意图；
图7为解密过程流程示意图；
其中：1、发送端；11、数据生成模块；12、加密模块；121、混沌交织单元；122、数据切割分组单元；123、混沌序列跳频单元；124、混沌同步单元；13、第一无线通信模块；2、接收端；21、第二无线通信模块；22、解密模块；221、密钥监听提取单元；222、跳频解密单元；223、数据解密单元；23、数据处理模块。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，基于混沌序列的LoRa通信加密系统，包括发送端1和接收端 2，所述发送端1包括数据生成模块11、混沌序列生成器、加密模块12和第一无线通信模块13；所述接收端2包括第二无线通信模块21、解密模块22和数据处理模块23；其中：
所述数据生成模块11、混沌序列生成器均与所述加密模块12输入端连接；
所述加密模块12输出端与所述第一无线通信模块13连接；
所述第一无线通信模块13与所述第二无线通信模块21无线通信连接；
所述第二无线通信模块21与所述解密模块22输入端连接；
所述解密模块22输出端与所述数据处理模块23连接。
更具体的，如图2所示，所述加密模块12包括混沌交织单元121、数据切割分组单元122、混沌序列跳频单元123和混沌同步单元124；其中：
所述混沌交织单元121输入端与所述数据生成模块11、混沌序列生成器连接；
所述混沌交织单元121输出端与所述数据切割分组单元122输入端连接；
所述数据切割分组单元122输出端与所述混沌序列跳频单元123输入端、混沌同步单元124输入端连接；
所述混沌序列跳频单元123输出端、混沌同步单元124输出端与所述第一无线通信模块13连接；
所述混沌序列生成器与所述混沌同步单元124输入端连接。
更具体的，如图3所示，所述解密模块22包括密钥监听提取单元221、混沌序列生成器、跳频解密单元222和数据解密单元223；其中：
所述密钥监听提取单元221输入端与所述第二无线通信模块21连接；
所述密钥监听提取单元221输出端与所述混沌序列生成器输入端连接；
所述混沌序列生成器输出端与所述跳频解密单元222输入端连接；
所述跳频解密单元222与所述第二无线通信模块21连接；
所述跳频解密单元222、混沌序列生成器输出端与所述数据解密单元223输入端连接；
所述数据解密单元223输出端与所述数据处理模块23连接。
更具体的，所述第一无线通信模块13、第二无线通信模块21均为Lora无线通信模块。
在具体实施过程中，所述加密模块12的具体实现方式为：假设从数据生成模块11一次输入N比特的信息，相应的，从混沌序列生成器生成一个长度为N 的混沌序列，记为c(n)，n＝1,2,....,N，对序列c(n)从大到小排序，得到一个排序数组π(n)，n＝1,2,....,N；根据排序数组π(n)，在混沌交织单元121中生成混沌交织规则，将输入的比特流进行交织加密，即若π(n)＝m，则将原始比特序列中的第n个比特交织至第m的位置，例如，当N＝5，输入的比特序列为{b(n)}＝{0 1 0 1 1}且{c(n)}＝{0.1,0.5,0.7,0.2,0.88}，则对应的{π(n)}＝{1,3,4,2,5}，混沌交织后输出的比特序列为{b’(n)}＝{0 1 1 0 1}。
更具体的，本发明混沌序列生成器中采用的混沌映射函数为Logistic混沌映射，也称为虫口映射，是最经典的一种混沌映射，其表达式具体为：
xn+1＝μxn(1-xn)x∈[0,1]
其中，0≤μ≤4为分形参数，当3.5699…<μ≤4时，系统处于混沌状态。根据该函数，设定一个固定的分形参数以及初始点的值就可以生成任意长度的混沌序列，而该分型参数以及初始点的值为第一密钥。例如，当选定初值为x0＝0.1，μ＝4，迭代100次的轨迹图谱如图4所示。
更具体的，经过混沌交织得到的长度为N的输出比特序列b’(n)被划分为M 组，每组长度为Nb。为了实现物理层跳频加密，需要将比特序列分组发送，每组发送比特序列对应一个发送频点，具体操作如下：LORAWAN协议设置有72 个可用频点，设初始值为能以两个字节表示的范围为0-1的小数x0，此分型参数以及初始点的值为第二密钥，根据生成长度为M的混沌序列c2(n)并将该混沌序列归一化为1-72的整数，得到频点数组k(n)，归一化准则为
Figure BDA0002115823800000061
其中
Figure BDA0002115823800000062
表示向上取整。对比特序列分组并生成了频点数组之后，基于混沌序列的加密模块12将设置的频点信息以及在该频点需要发送的比特输入到LoRa 无线通信模块中，第i组比特序列将在第k(i)个频点上进行传输，其中i＝1,2,…,M。
更具体的，基于混沌序列的加密模块12具有混沌同步的功能，即保证收发两端能实现跳频同步，以有效可靠地完成信息的传输，具体步骤如下。首先在混沌同步单元124中收发默认为初始发送频点f0，例f0＝470.3MHz，在此频点上，发送端第一密钥及第二密钥信息发送出去。接收端接收到第一密钥和第二密钥之后便可实现与发射端的跳频同步，并将接收到的信息解密出来。此外，混沌同步单元124还负责记录当前发送的比特组数，当发送的比特组数为100的倍数时，重新生成第二密钥，并将其在默认频点f0发送出去，以减小收发两端失步的概率及被重发攻击的概率。
接收到从基于混沌序列的加密模块12发来的信息以及指令之后，LoRa无线通信模块负责将加密后的信息按照加密的频点跳动方式通过LoRa无线通信技术发送出去，在接收端接收后进行解密处理。
实施例2
更具体的，在实施例1的基础上，如图5所示，基于混沌序列的LoRa通信加密系统的实现方法，包括以下步骤：
S1：生成原始数据；
S2：对原始数据进行加密并发送；
S3：接收加密数据并进行解密，得到原始数据；
S4：对原始数据进行处理。
更具体的，在所述步骤S1中，由所述数据生成模块11生成原始数据。
更具体的，如图6所示，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：由混沌序列生成器生成的混沌序列并生成第一密钥、第二密钥，混沌序列与原始数据在混沌交织单元121中实现混沌交织；
S22：将混沌交织后的数据在数据切割分组单元122进行数据的切割与分组；
S23：判断当前发送组数是否为第一组或者组数是100的倍数；若是，则由混沌同步单元124将频点设置为默认频点f0，并发送第一密钥和第二密钥；否则执行步骤S24；
S24：由混沌序列生成器根据第二密钥为每一组生成对应的频点，由混沌序列跳频单元123在对应频点上发送信息；
S25：第一无线通信模块13将从混沌同步单元124、混沌序列跳频单元123 送到的数据发送至接收端2。
更具体的，所述第一密钥用于实现对数据在系统的数据链路层进行加密，混沌序列生成器根据第一密钥生成混沌序列；所述第二密钥用于实现对数据在系统的物理层进行加密。
更具体的，如图7所示，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：密钥监听提取单元221默认在频点f0监听是否有密钥信息传输，若是，提取第一密钥、第二密钥；否则，重复地在频点f0监听；
S32：将第一密钥送入混沌序列生成器，重新生成混沌序列；
S33：将第二密钥送入混沌序列生成器，重新生成混沌序列跳变频点；
S34：跳频解密单元222根据混沌序列跳变频点接收并进行数据解密，得到各频点中的数据；
S35：数据解密单元223根据重新生成混沌序列和各频点中的数据进行解密，得到传输的原始数据。
更具体的，当发送的组数为100的倍数时，重新生成第二密钥并将其在默认频点f0发送出去。
在具体实施过程中，数据生成模块11为物联网中感知层的各种终端设备，如水位检测器、温度传感器、位移传感器或网关的数据处理器等可以生成系统传输的数据，并以比特流的形式传输给加密模块12。
在具体实施过程中，加密模块12完成三个功能，包括将接收到的比特流在数据链路层进行加密，生成基于混沌序列的跳频频点，与无线通信模块结合对发送信号进行物理层的加密，实现跳频通信中的信号同步。
在具体实施过程中，当发送的组数为100的倍数时，重新生成第二密钥并将其在默认频点f0发送出去是为了减小收发两端失步的概率及被重发攻击的概率。
在具体实施过程中，本发明在数据链路层中对传输数据进行交织加密，在物理层中对传输数据进行跳频加密，充分利用混沌序列的伪随机特性，令恶意攻击者难以检测到传输信号，即便检测到信号也难以破译获取原始数据，有效提高了系统的安全性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于混沌序列的LoRa通信加密系统，包括发送端(1)和接收端(2)，其特征在于：所述发送端(1)包括数据生成模块(11)、混沌序列生成器、加密模块(12)和第一无线通信模块(13)；所述接收端(2)包括第二无线通信模块(21)、解密模块(22)和数据处理模块(23)；其中：
所述数据生成模块(11)、混沌序列生成器均与所述加密模块(12)输入端连接；
所述加密模块(12)输出端与所述第一无线通信模块(13)连接；
所述第一无线通信模块(13)与所述第二无线通信模块(21)无线通信连接；
所述第二无线通信模块(21)与所述解密模块(22)输入端连接；
所述解密模块(22)输出端与所述数据处理模块(23)连接；
其中，所述加密模块(12)包括混沌交织单元(121)、数据切割分组单元(122)、混沌序列跳频单元(123)和混沌同步单元(124)；其中：
所述混沌交织单元(121)输入端与所述数据生成模块(11)和混沌序列生成器连接；
所述混沌交织单元(121)输出端与所述数据切割分组单元(122)输入端连接；
所述数据切割分组单元(122)输出端与所述混沌序列跳频单元(123)输入端和混沌同步单元(124)输入端连接；
所述混沌序列跳频单元(123)输出端和混沌同步单元(124)输出端与所述第一无线通信模块(13)连接；
所述混沌序列生成器与所述混沌同步单元(124)输入端连接；
所述基于混沌序列的LoRa通信加密系统执行以下步骤：
S1：数据生成模块(11)生成原始数据；
S2：加密模块(12)对原始数据进行加密，第一无线通信模块(13)发送加密数据；
所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：由混沌序列生成器生成混沌序列并生成第一密钥和第二密钥，混沌序列与原始数据在混沌交织单元(121)中实现混沌交织；
S22：将混沌交织后的数据在数据切割分组单元(122)进行数据的切割与分组；
S23：数据切割分组单元(122)判断当前发送组数是否为第一组或者组数是100的倍数；若是，则由混沌同步单元(124)将频点设置为默认频点f0，并发送第一密钥和第二密钥至第一无线通信模块(13)；否则执行步骤S24；
S24：由混沌序列生成器根据第二密钥为每一组生成对应的频点，由混沌序列跳频单元(123)在对应频点上发送加密数据；
S25：第一无线通信模块(13)将从混沌同步单元(124)和混沌序列跳频单元(123)送到的数据发送至接收端(2)。
2.根据权利要求1所述的基于混沌序列的LoRa通信加密系统，其特征在于：所述解密模块(22)包括密钥监听提取单元(221)、混沌序列生成器、跳频解密单元(222)和数据解密单元(223)；其中：
所述密钥监听提取单元(221)输入端与所述第二无线通信模块(21)连接；
所述密钥监听提取单元(221)输出端与所述混沌序列生成器输入端连接；
所述混沌序列生成器输出端与所述跳频解密单元(222)输入端连接；
所述跳频解密单元(222)与所述第二无线通信模块(21)连接；
所述混沌序列生成器输出端和跳频解密单元(222)与所述数据解密单元(223)输入端连接；
所述数据解密单元(223)输出端与所述数据处理模块(23)连接。
3.根据权利要求1所述的基于混沌序列的LoRa通信加密系统，其特征在于：所述第一无线通信模块(13)、第二无线通信模块(21)均为Lora无线通信模块。
4.根据权利要求1所述的基于混沌序列的LoRa通信加密系统，其特征在于：所述第一密钥用于实现对原始数据在基于混沌序列的LoRa通信加密系统的数据链路层进行加密，混沌序列生成器根据第一密钥生成混沌序列；所述第二密钥用于实现对原始数据在基于混沌序列的LoRa通信加密系统的物理层进行加密。
5.根据权利要求2所述的基于混沌序列的LoRa通信加密系统，其特征在于，还包括以下步骤：
S3：第二无线通信模块(21)接收加密数据并由解密模块(22)进行解密，得到原始数据；
S4：数据处理模块(23)对原始数据进行处理。
6.根据权利要求5所述的基于混沌序列的LoRa通信加密系统，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31：密钥监听提取单元(221)在默认频点f0监听是否有密钥信息传输，若是，提取第一密钥和第二密钥；否则，重复地在默认频点f0监听；
S32：混沌序列生成器根据第一密钥，重新生成混沌序列；
S33：混沌序列生成器根据第二密钥，重新生成混沌序列跳变频点；
S34：跳频解密单元(222)根据混沌序列跳变频点接收并进行数据解密，得到各频点中的数据；
S35：数据解密单元(223)根据重新生成混沌序列和各频点中的数据进行解密，得到传输的原始数据。
7.根据权利要求6所述的基于混沌序列的LoRa通信加密系统，其特征在于：当发送的组数为100的倍数时，混沌序列生成器重新生成第二密钥并将其在默认频点f0由第一无线通信模块(13)发送出去。
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