CN112003868B - 一种基于白盒加密的智能家居系统安全通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于白盒加密的智能家居系统安全通信方法。智能家居系统容易受到白盒攻击。本发明方法的通信包括用户手机端与家庭智能网关之间的通信、家庭智能网关与智能家居设备之间的通信。用户手机端处于易受到白盒攻击的环境中，用户手机端与家庭智能网关建立通信前，采用白盒加密算法进行身份验证，确保家庭智能网关不会接收恶意攻击者发送过来的指令。智能家居设备与家庭智能网关之间的通信处在相对安全的环境中，采用对称加密的方式对用户数据进行加密，家庭智能网关与智能家居设备进行加密通信。本发明方法根据智能家居系统各部分所处环境的不同采用不同的加密方式。在保证加密速度前提下，提高加密质量，更好地保护用户的隐私信息。

Description

一种基于白盒加密的智能家居系统安全通信方法
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，涉及一种基于白盒加密的智能家居系统安全通信方法。
背景技术
物联网产业是近些年来新兴起的产业，市场前景广阔，其产生的市场价值也是非常巨大的，目前这一领域已经成为各家厂商都在发力的方向。随着物联网技术的发展和进步，其成果已经被人们应用到了很多领域中，包括智能工业、智能电网、智能安防、智能家居等。其中与我们日常生活最紧密相关的一个应用领域就是智能家居，智能家居系统将家庭中的一些设备与网络进行连接，或者使用一个可以与网络连接的智能网关作为中继开关完成移动终端与家庭设备之间的信息传输，这样用户通过可移动的手机终端就可以对家庭电子设备进行实时的检测和控制，并且一些设备中还嵌入有独有的智能操作系统，其具有更为丰富的功能，比如温湿度检测仪可以将采集到的数据汇总，然后传到云端服务器，在智能操作系统中可以分析这些数据为用户的提供一些生活中的建议。
由于智能家居所带来的便捷与舒适，已经有越来越多的用户选择使用智能家居，但是随着这些智能家居的普及，也让我们不得不对其信息的安全性产生怀疑，这些也在一定程度上限制了智能家居的发展。一旦物联网走进人们的生活中，产生的数据将是非常巨大的，并且很多数据可能会是比较敏感的信息。倘若这些信息一直处于容易受到白盒攻击的环境中，难免会被一些不怀好意之人窃取，以此来达到恶意控制智能家居设备或者窥探用户隐私的目的，在一定程度上会对用户的隐私安全造成威胁。
发明内容
本发明的目的就是针对智能家居系统中存在的用户隐私安全问题，提供一种基于白盒加密的智能家居安全系统实现方法，该方法在家居智能网关接受手机端的指令前，对手机端进行身份验证，只有验证通过智能网关才会接收这些指令，从而控制家居设备工作，可过滤掉一些不安全的指令，进而对智能家居系统中采集到的用户的隐私信息起到了一定的保护作用。
智能家居系统之中的通信包括用户手机端通过网络服务器与家庭智能网关之间的通信、家庭智能网关与智能家居设备之间的通信，本发明针对这两方面的通信分别进行加密设计。
用户手机端处于易受到白盒攻击的环境中，用户手机端与家庭智能网关建立通信前，采用白盒加密算法进行身份验证，确保家庭智能网关不会接收恶意攻击者发送过来的指令。
进一步，身份验证的具体方法是：
步骤(1).通过第三方机构为用户手机端和家庭智能网关分配私钥和公钥；
步骤(2).用户手机端对手机设备识别码计算生成摘要；
步骤(3).用户手机端使用私钥对摘要进行白盒加密，加密后的字符串即为密文；
步骤(4).用户手机端将密文和原始手机设备识别码发送给家庭智能网关；
步骤(5).家庭智能网关使用与用户手机端相同的白盒加密算法，由原始手机设备识别码计算出摘要；
步骤(6).家庭智能网关通过用户手机端的公钥对密文进行解密，获得用户手机端计算生成的摘要；
步骤(7).家庭智能网关比对两次计算摘要值是否相同：如果相同，身份验证通过，接受用户手机端的指令；如果不相同，身份验证未通过，拒绝接受用户手机端的指令。
智能家居设备与家庭智能网关之间的通信处在相对安全的环境中，采用对称加密的方式对用户数据进行加密，家庭智能网关与智能家居设备进行加密通信。
进一步，家庭智能网关与智能家居设备加密通信的具体方法是：
步骤(a).家庭智能网关和智能家居设备均使用密钥调度算法生成长度为256的S盒；
步骤(b).家庭智能网关和智能家居设备采用伪随机数生成算法，根据S盒生成与明文长度相同的密钥流；明文即为智能网关接收到的手机端发来的指令；
步骤(c).家庭智能网关将密钥流与明文进行比特级别的异或处理，生成密文，完成加密；
步骤(d).家庭智能网关将密文发送给智能家居设备；
步骤(e).智能家居设备将密钥流与密文进行比特级别的异或处理，生成明文，完成解密，得到了从手机端发送过来的指令，然后根据指令进行相应的操作。
本发明方法根据智能家居系统各部分所处环境的不同采用不同的加密方式。在用户手机端与家庭智能网关进行通信前的身份验证中，采用安全性更高的白盒加密算法进行加密，在家庭智能网关与智能家居设备之间的通信中，采用了相对来说简单一点的普通加密算法实现。白盒实现和普通加密实现的区别在于，普通实现要求有算法和密钥作为输入参数才能对数据进行加密，而白盒实现的密钥隐藏在算法中，白盒实现的安全性会更高，但白盒实现方法的运算速度比普通实现要慢，所以只在更容易受到攻击的地方采用白盒实现，而在相对安全的家庭设备之间的通信中采用了普通加密实现，在保证一定加密速度的前提下，提高加密的质量，可以更好的保护用户的隐私信息。
附图说明
图1为用户手机端与家庭智能网关之间建立通信前进行身份验证的流程图；
图2为家庭智能网关与智能家居设备加密通信的流程图。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于白盒加密的智能家居安全系统包括用户手机端、家庭智能网关和多个智能家居设备，智能家居设备可以是温湿度检测仪、监控摄像头、照明灯等。用户手机端通过网络服务器与家庭智能网关进行通信，家庭智能网关与智能家居设备之间进行通信。用户操作用户手机端，用户手机端通过网络向家庭智能网关发送指令，家庭智能网关再将命令发送到需要执行指令的智能家居设备上完成相应的操作。
用户手机端与家庭智能网关通信时，用户手机端处于易受到白盒攻击的环境中，其与智能网关之间进行的通信容易被攻击。因此，用户手机端与家庭智能网关建立通信前，采用白盒加密算法进行身份验证，确保家庭智能网关不会接收恶意攻击者发送过来的指令。因为智能家居设备与家庭智能网关之间的通信处在一个相对安全的环境中，采用对称加密的方式对用户数据进行加密，家庭智能网关与智能家居设备进行加密通信。
如图1所示，用户手机端与家庭智能网关之间进行身份验证的具体方法是：
步骤101：通过第三方机构为用户手机端和家庭智能网关分配私钥和公钥；
步骤102：用户手机端对手机设备识别码计算生成摘要，本实施例中采用RSA加密算法；
步骤103：用户手机端使用私钥对摘要进行白盒加密，加密后的字符串即为密文；
步骤104：用户手机端将密文和原始手机设备识别码发送给家庭智能网关；可以采用4G或5G网络的通信方式进行传输；
步骤105：家庭智能网关使用与用户手机端相同的白盒加密算法，由原始手机设备识别码计算出摘要；
步骤106：家庭智能网关通过用户手机端的公钥对密文进行解密，获得用户手机端计算生成的摘要；
步骤107：家庭智能网关比对两次计算摘要值是否相同：如果相同，身份验证通过，接受用户手机端的指令；如果不相同，说明并不是所绑定的手机设备发来的指令，身份验证未通过，拒绝接受用户手机端的指令。
如图2所示，家庭智能网关与智能家居设备加密通信具体方法是：
步骤201：家庭智能网关和智能家居设备均使用密钥调度算法(KSA)生成长度为256的S盒；本实施例中采用的加密算法为RC4算法，因此家庭智能网关和每个智能家居设备上都有RC4加密算法，以及共享的密钥KEY；
步骤202：家庭智能网关和智能家居设备均采用伪随机数生成算法(PRGA)根据S盒生成与明文长度相同的密钥流；
步骤203：家庭智能网关将密钥流与明文进行比特级别的异或处理，生成密文，完成加密过程；所述的明文即为智能网关接收到的手机端发来的指令；
步骤204：家庭智能网关将密文发送给智能家居设备，本实施例中采用ZigBee等通信方式进行密文的传输；
步骤205：智能家居设备将密钥流与从智能网关接收到的密文进行比特级别的异或处理，即可生成明文，完成解密，得到了从手机端发送过来的指令，然后根据指令进行相应的操作。
实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于白盒加密的智能家居系统安全通信方法，所述的智能家居系统包括用户手机端、家庭智能网关和多个智能家居设备；所述的通信包括用户手机端通过网络服务器与家庭智能网关之间的通信、家庭智能网关与智能家居设备之间的通信；其特征在于：
用户手机端处于易受到白盒攻击的环境中，用户手机端与家庭智能网关建立通信前，采用白盒加密算法进行身份验证，确保家庭智能网关不会接收恶意攻击者发送过来的指令；身份验证的具体方法是：
步骤(1).通过第三方机构为用户手机端和家庭智能网关分配私钥和公钥；
步骤(2).用户手机端对手机设备识别码计算生成摘要；
步骤(3).用户手机端使用私钥对摘要进行白盒加密，加密后的字符串即为密文；
步骤(4).用户手机端将密文和原始手机设备识别码发送给家庭智能网关；
步骤(5).家庭智能网关使用与用户手机端相同的白盒加密算法，由原始手机设备识别码计算出摘要；
步骤(6).家庭智能网关通过用户手机端的公钥对密文进行解密，获得用户手机端计算生成的摘要；
步骤(7).家庭智能网关比对两次计算摘要值是否相同：如果相同，身份验证通过，接受用户手机端的指令；如果不相同，身份验证未通过，拒绝接受用户手机端的指令；
智能家居设备与家庭智能网关之间的通信处在相对安全的环境中，采用对称加密的方式对用户数据进行加密，家庭智能网关与智能家居设备进行加密通信；加密通信的具体方法是：
步骤(a).家庭智能网关和智能家居设备均使用密钥调度算法生成长度为256的S盒；
步骤(b).家庭智能网关和智能家居设备采用伪随机数生成算法，根据S盒生成与明文长度相同的密钥流；
步骤(c).家庭智能网关将密钥流与明文进行比特级别的异或处理，生成密文，完成加密；
步骤(d).家庭智能网关将密文发送给智能家居设备；
步骤(e).智能家居设备将密钥流与密文进行比特级别的异或处理，生成明文，完成解密，得到了从手机端发送过来的指令，然后根据指令进行相应的操作。
2.如权利要求1所述的一种基于白盒加密的智能家居系统安全通信方法，其特征在于：步骤(2)中计算手机设备识别码采用RSA加密算法。
3.如权利要求1所述的一种基于白盒加密的智能家居系统安全通信方法，其特征在于：步骤(a)中所述的密钥调度算法采用RC4算法，家庭智能网关和每个智能家居设备上都有RC4加密算法，以及共享的密钥KEY。
4.如权利要求1所述的一种基于白盒加密的智能家居系统安全通信方法，其特征在于：所述的明文即为智能网关接收到的手机端发来的指令。
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