CN113364782B - 一种提高数据传输安全性的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高数据传输安全性的方法及系统，包括以下步骤：将Master端和Slave端通过GPIO、SPI总线和数据通信总线连接；拉低Master端的GPIO信号，Master端主动发起通信，向Slave端传输交互数据及其对应的校验值；交互数据通过数据通信总线传输，校验值通过SPI总线传输；Slave端基于接收到的交互数据和校验值判断数据的传输结果；在Slave端的GPIO接口上输出PWM信号，Slave端请求发起通信，将此次传输结果告知Master端；该方法通过GPIO和SPI总线来实现对通信数据有效性的校验，从而提高数据传输的安全性；同时采用将校验值和交互数据通过不同总线发送的方式，提高数据传输的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，具体涉及一种提高数据传输安全性的方法及系统。
背景技术
网络通信的目的是将数据安全可靠的传输给接收方，产品的通信安全越来越被各个厂商和用户重视。
目前数据传输采用的方式为：通信发起者(简称Master)将原始数据以及数据的校验值1(CRC\MD5\奇偶校验等)发送给接收者(简称Slave)，Slave对接收到的数据进行同一算法运算出校验值2，并与接收到的校验值1进行比较，如果一致，则认为此次数据传输成功并有效；如果不一样，则认为此次传输失败，主动告知Master，触发其传输失败时的动作策略(如重发)；上述网络通信过程中数据两端传输校验值及原始数据一般是通过同一数据通信总线进行交互，通过数据交互保证数据传输的有效性校验，而以上的传输校验过程存在安全漏洞，比如破解者可以通过持续不断的对被破解设备主动发送各种测试信息，统计发送方的动作规律，只要破解了该数据通信总线即可同时获取原始数据及校验值，从而截取通信数据，即目前的数据传输方法存在易被破解、安全性低的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种提高数据传输安全性的方法，该方法通过GPIO和SPI总线来实现对通信数据有效性的校验，从而提高数据传输的安全性；采用将校验值和交互数据通过不同总线发送的方式，提高数据传输的安全性；在不知道GPIO的逻辑时，外部Slave无法向master注入数据，只有通过校验的数据，Master才会给予响应，避免了外部设备的暴力破解，增加了对数据的保护程度；该方法还可实时动态选择多种加密算法，对传输数据进行校验，保障了通信数据安全和有效性。
本发明的第二个目的是提供一种提高数据传输安全性的系统。
本发明所采用的第一个技术方案是：一种提高数据传输安全性的方法，包括以下步骤：
S100：将Master端和Slave端通过GPIO、SPI总线和数据通信总线连接；
S200：拉低Master端的GPIO信号，Master端主动发起通信，向Slave端传输交互数据及其对应的校验值；所述交互数据通过数据通信总线传输，所述校验值通过SPI总线传输；
S300：Slave端基于接收到的交互数据和校验值判断数据的传输结果；
S400：在Slave端的GPIO接口上输出PWM信号，Slave端请求发起通信，将所述传输结果告知Master端。
优选地，所述步骤S200具体为：
Master端主动发起通信时，Master端基于交互数据进行加密计算得出第一校验值，并通过SPI总线中的MOSI将第一校验值发送至Slave端，通过数据通信总线将交互数据发送至Slave端并拉高Master端的GPIO信号。
优选地，所述步骤S300具体为：
Slave端基于接收到的交互数据进行加密计算得出第二校验值，比较第一校验值和第二校验值；若第一校验值和第二校验值相同，则判定传输结果为发送成功并有效；若第一校验值和第二校验值不同，则判定传输结果为发送失败；
所述第一校验值和所述第二校验值均基于相同的加密算法计算得出。
优选地，所述步骤S400中Slave端请求发起通信包括以下子步骤：
S410：Slave端选择加密算法，得出所述加密算法对应的PWM信号；
S420：在Slave端的GPIO接口上输出所述PWM信号；
S430：Master端基于接收到的所述PWM信号计算频率得出加密算法的index序号，并在SPI总线上发出SCK时钟信号；
S440：Slave端接收到SCK时钟信号后通过SPI总线将第三校验值发送给Master端，通过数据通信总线将交互数据发送给Master端；
S450：Master端基于接收到的交互数据进行加密计算得出第四校验值；所述加密计算是index序号对应的加密算法；
S460：Master端比较第三校验值和第四校验值，若第三校验值和第四校验值相同，则拉低Master端的GPIO信号，通过SPI总线发送用于表征成功的数据，告知Slave端此次发送成功；若第三校验值和第四校验值不同，则此次通信失败，保持Master端的GPIO信号为高，不给予反馈。
优选地，步骤S460中的所述表征成功的数据通过自定义设置。
优选地，Master端和Slave端分别按照相同排序储存N+1种检验算式或储存同一算式的N+1个种子。
优选地，Master端与Slave端均采用CRC16算法，Master端与Slave端按照相同的index顺序，存储多项式、初始值、结果异或值、输入值反转和输出值反转参数。
优选地，Slave端请求发起通信时，在Slave端的GPIO上输出的PWM信号包括1Khz、2Khz、3Khz和4Khz。
本发明所采用的第二个技术方案是：一种提高数据传输安全性的系统，包括Master模块、Slave模块、GPIO、SPI总线和数据通信总线；Master模块和Slave模块通过GPIO、SPI总线和数据通信总线连接；
所述Master模块用于Master端主动发起通信，具体执行以下操作：拉低Master端的GPIO信号，通过SPI总线将第一校验值发送至Slave模块，通过数据通信总线将交互数据发送至Slave模块，并拉高Master端的GPIO信号；
所述Slave模块用于当Master端主动发起通信时根据接收到的交互数据计算第二校验值，基于第二校验值和接收到的第一校验值判断数据的传输结果，并将传输结果告知Master模块；
所述GPIO用于Master模块和Slave模块之间的发送逻辑判断；
所述SPI总线用于Master模块和Slave模块之间传输交互数据对应的校验值；
所述数据通信总线用于Master模块和Slave模块之间传输交互数据。
优选地，所述Master模块还用于当Slave端请求发起通信时接收Slave模块发出的PWM信号，并在SPI总线上发出SCK时钟信号；根据接收到的交互数据计算第四校验值，基于第四校验值和接收到的第三校验值判断数据的传输结果，若传输成功则拉低Master端的GPIO信号，通过SPI总线发送用于表征成功的数据，告知Slave模块此次发送成功；若传输失败，则保持Master端的GPIO信号为高，不给予反馈；
所述Slave模块还用于Slave端请求发起通信，具体执行以下操作：
Slave端选择加密算法，得出所述加密算法对应的PWM信号，并在Slave端的GPIO上输出所述PWM信号；Slave端接收到Master模块发出的SCK时钟信号后通过SPI总线将第三校验值发送给Master模块；通过数据通信总线将交互数据发送给Master模块，发送完成后将Slave端的GPIO信号拉高。
上述技术方案的有益效果：
(1)本发明公开的提高数据传输安全性的方法通过GPIO和SPI总线来实现对通信数据有效性的校验，从而提高数据传输的安全性。
(2)本发明公开的提高数据传输安全性的方法中将GPIO用作Master和Slave之间的发送逻辑判断，GPIO的逻辑变化与多种校验参数相结合，在不知道GPIO的逻辑时，外部Slave无法向master注入数据，只有通过校验的数据，Master才会给予响应，避免了外部设备的暴力破解，增加了对数据的保护程度。
(3)本发明公开的提高数据传输安全性的方法能实时动态选择多种加密算法，对传输数据进行校验，保障了通信数据安全和有效性。
(4)本发明公开的提高数据传输安全性的方法适用于任何原有的通信形式，即能够通过增加GPIO和SPI总线的方法对任何原有的通信形式进行安全性提高，实现本发明提出的技术方案。
(5)本发明通过SPI传输交互数据的校验值，通过数据通信总线传输交互数据，采用将校验值和交互数据通过不同总线发送的方式，提高数据传输的安全性；即当受到外部的暴力破解时，本发明需要破解不同的总线来分别获取校验值和交互数据，而通过同一总线来发送校验值和交互数据时，只需破解该总线即可同时获得校验值和交互数据，本发明显著地增加了被暴力破解的难度，有效提高数据传输的安全性。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种提高数据传输安全性的方法中Master端主动发起通信时的流程图；
图2为本发明一个实施例提供的一种提高数据传输安全性的方法中Slave端请求发起通信时的流程图；
图3为本发明一个实施例提供的一种提高数据传输安全性的系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的优选实施例，本发明的范围由权利要求书限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例公开了一种提高数据传输安全性的方法，包括：
S100：将Master端和Slave端通过GPIO(通用输入输出接口)、SPI总线(全双工同步串行总线)和数据通信总线连接；
SPI通信方式是一种全双工通信方式，一般应用的传输速率是10Mbps，SPI总线包括四根信号线，具体为MOSI(主机输出/从机输入数据线)、MISO(主机输入/从机输出数据线)、SCK(串行时钟线)和CS(从设备使能信号线，片选)，其通信双方必须设置一端为主设备，一端为从设备，一个主设备可以对接多个从设备，多个从设备可以共用MOSI、MISO、SCK，但是CS引脚是每个从设备不同；所有操作必须由主设备启动，主设备通过将从设备的CS引脚置于低电平状态来激活从设备，只能由主设备发出SCK，MOSI和MISO线上的所有数据传输均与该时钟同步；
GPIO(General purpose input/output)是通用输入输出接口，包括高电平和低电平，不同电平表征不同的状态；本发明将GPIO用作Master和Slave之间的发送逻辑判断，GPIO的逻辑变化与多种校验参数相结合，在不知道GPIO的逻辑时，外部Slave无法向master注入数据，只有通过校验的数据，Master才会给予响应，避免了外部设备的暴力破解，增加了对数据的保护程度。
数据通信总线包括但不限于以太网、USB、I2C、串口等。
S200：将Master端的GPIO信号拉低，Master端主动发起通信，向Slave端传输交互数据及其对应的校验值；
Master端主动发起通信时，Master端基于交互数据进行加密算法计算得出第一校验值，并通过SPI总线中的MOSI将第一校验值发送至Slave端，通过数据通信总线将交互数据发送至Slave端并拉高Master端的GPIO信号。
S300：Slave端基于交互数据和校验值判断数据的传输结果；
Slave端基于接收到的交互数据进行加密计算得出第二校验值，比较第一校验值和第二校验值；若第一校验值和第二校验值相同，则判定传输结果为发送成功并有效；若第一校验值和第二校验值不相同，则判定传输结果为发送失败；第一校验值和第二校验值均基于相同的加密算法计算得出；例如均基于第(N+1)种加密算法计算得到。
S400：在Slave端的GPIO接口上输出PWM信号，Slave端请求发起通信，将此次传输结果告知Master端；
其中，在Master端主动发起通信和Slave端请求发起通信过程中，采用SPI传输交互数据的校验值，采用数据通信总线传输交互数据。
本发明通过SPI传输交互数据的校验值，通过数据通信总线传输交互数据，采用将校验值和交互数据通过不同总线发送的方式，提高数据传输的安全性；即当受到外部的暴力破解时，本发明需要破解不同的总线来分别获取校验值和交互数据，而通过同一总线来发送校验值和交互数据时，只需破解该总线即可同时获得校验值和交互数据，本发明显著地增加了被暴力破解的难度，有效提高数据传输的安全性。
进一步的，在一个实施例中，如图2所示，Slave端请求发起通信，具体包括以下步骤：
S410：Slave端选择加密算法，得出将该加密算法对应的PWM信号；
S420：在Slave端的GPIO接口上输出PWM信号；
S430：Master端基于收到的PWM信号计算频率得出加密算法的index序号，并在SPI总线上发出SCK时钟信号；
S440：Slave端接收到SCK时钟信号后通过SPI总线中的MISO将第三校验值发送给Master端，第三校验值是将交互数据通过加密算法计算得出的；Slave端通过数据通信总线将交互数据发送给Master端，发送完成后将Slave端的GPIO信号拉高；
S450：Master端根据接收到的交互数据通过计算得出第四校验值；
S460：Master端比较第三校验值和第四校验值，若第三校验值和第四校验值相同，则拉低Master端的GPIO信号，通过SPI总线上的MOSI发送用于表征成功的数据，从而告知Slave模块此次发送成功；表征成功的数据通过自定义设置，例如设置0x00表征发送成功、0x01表征发送失败等；若第三校验值和第四校验值不同，则此次通信失败，保持Master端的GPIO信号为高，不给予反馈。
其中，PWM信号的频率对应Slave端发送数据会使用的加密算法的index序号，第三校验值和第四校验值均是基于PWM信号频率对应的index序号进行加密算法计算得出。
Slave端请求发起通信，除了能将Master主动发起通信的传输结果告知Master端，也能给Master端发送其他数据。
本发明中对Master端的GPIO的操作包括高电平和低电平，对Slave端的GPIO的操作包括高电平和发送PWM信号，具体见表1。
表1对Master端和Slave端的GPIO的操作
进一步的，在一个实施例中，Master端和Slave端分别按照相同排序储存(N+1)种检验算式，或者同一算式的(N+1)个种子；例如Master端与Slave端均采用CRC16算法，Master端与Slave端按照相同的index顺序，存储多项式、初始值等参数，例如存储多项式、初始值、结果异或值、输入值反转和输出值反转五组参数，其中，将第五组参数(输出值反转)作为Master端主动发起通信时所使用的加密参数；五组参数具体为：
{/*index,多项式，初始值，结果异或值，输入值反转，输出值反转*/
CRC-16-1，8005，0000，0000，true，true；
CRC-16-2，8005，0000，FFFF，true，true；
CRC-16-3，8005，FFFF，FFFF，true，true；
CRC-16-4，1021，FFFF，FFFF，true，true；
CRC-16-5，1021，0000，0000，false，false；}；
上述各参数之间可以自由组合，多种变换，也可以切换为不同的校验算法；本发明公开的提高数据传输安全性的方法能实时动态选择多种加密算法，对传输数据进行校验，保障了通信数据安全和有效性。
进一步的，在一个实施例中，当Slave端请求发起通信时，在Slave端的GPIO上输出四种频率的PWM信号，包括1Khz、2Khz、3Khz和4Khz；其中，1Khz的PWM信号对应的CRC加密参数的Index序号为1，2Khz的PWM信号对应的CRC加密参数的Index序号为2，3Khz的PWM信号对应的CRC加密参数的Index序号为3，4Khz的PWM信号对应的CRC加密参数的Index序号为4，具体见表2；
表2四种频率的PWM信号对应的index序号
| PWM频率 | CRC加密参数的Index序号 |
| 1Khz | 1 |
| 2Khz | 2 |
| 3Khz | 3 |
| 4Khz | 4 |
本发明公开的提高数据传输安全性的方法适用于任何原有的通信形式，即能够通过增加GPIO和SPI总线的方法对任何原有的通信形式进行安全性提高，实现本发明提出的技术方案。
实施例2
如图3所示，一种提高数据传输安全性的系统，包括Master模块、Slave模块、GPIO(通用输入输出接口)、SPI总线(全双工同步串行总线)和数据通信总线；Master模块和Slave模块通过GPIO、SPI总线和数据通信总线连接。
Master模块用于Master端主动发起通信，具体执行以下操作：
将Master端的GPIO信号拉低，通过SPI总线中的MOSI将第一校验值发送至Slave模块，通过数据通信总线将交互数据发送至Slave模块并拉高Master端的GPIO信号；
Master模块还用于当Slave端请求发起通信时基于收到的PWM信号计算频率得出加密算法的index序号，并在SPI总线上发出SCK时钟信号；Master端根据index序号对应的加密算法以及接收到的交互数据进行计算得出第四校验值；比较第四校验值和接收到的第三校验值，若第三校验值和第四校验值相同，则拉低Master端的GPIO信号，通过SPI总线上的MOSI发送用于表征成功的数据，从而告知Slave模块此次发送成功；表征成功的数据通过自定义设置，例如设置0x00表征发送成功、0x01表征发送失败等；若第三校验值和第四校验值不同，则此次通信失败，保持Master端的GPIO信号为高，不给予反馈。
Slave模块用于Slave端请求发起通信，具体执行以下操作：
Slave端选择加密算法，得出该加密算法对应的PWM信号，并在Slave端的GPIO上输出该PWM信号；Slave端接收到Master模块发出的SCK时钟信号后通过SPI总线中的MISO将第三校验值发送给Master模块；通过数据通信总线将交互数据发送给Master模块，发送完成后将Slave端的GPIO信号拉高；
Slave模块还用于当Master端主动发起通信时基于接收到的交互数据进行计算得出第二校验值，比较第二校验值和接收到的第一校验值；若第一校验值和第二校验值相同，则判定传输结果为发送成功并有效；若第一校验值和第二校验值不相同，则判定传输结果为发送失败；将传输结果告知Master模块；
Master模块和Slave模块例如可以为片上系统(System on chip，简称SOC)、单片机(microprogrammed control unit，简称MCU)等。
GPIO用于Master模块和Slave模块之间的发送逻辑判断。
SPI总线用于Master模块和Slave模块之间传输交互数据对应的校验值。
数据通信总线用于Master模块和Slave模块之间传输交互数据。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种提高数据传输安全性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：将Master端和Slave端通过GPIO、SPI总线和数据通信总线连接；
S200：拉低Master端的GPIO信号，Master端主动发起通信，向Slave端传输交互数据及其对应的校验值；所述交互数据通过数据通信总线传输，所述校验值通过SPI总线传输；
S300：Slave端基于接收到的交互数据和校验值判断数据的传输结果；
S400：在Slave端的GPIO接口上输出PWM信号，Slave端请求发起通信，将所述传输结果告知Master端；
其中，所述步骤S400中Slave端请求发起通信包括以下子步骤：
S410：Slave端选择加密算法，得出所述加密算法对应的PWM信号；
S420：在Slave端的GPIO接口上输出所述PWM信号；
S430：Master端基于接收到的所述PWM信号计算频率得出加密算法的index序号，并在SPI总线上发出SCK时钟信号；
S440：Slave端接收到SCK时钟信号后通过SPI总线将第三校验值发送给Master端，通过数据通信总线将交互数据发送给Master端；
S450：Master端基于接收到的交互数据进行加密计算得出第四校验值；所述加密计算是index序号对应的加密算法；
S460：Master端比较第三校验值和第四校验值，若第三校验值和第四校验值相同，则拉低Master端的GPIO信号，通过SPI总线发送用于表征成功的数据，告知Slave端此次发送成功；若第三校验值和第四校验值不同，则此次通信失败，保持Master端的GPIO信号为高，不给予反馈。
2.根据权利要求1所述的提高数据传输安全性的方法，其特征在于，所述步骤S200具体为：
Master端主动发起通信时，Master端基于交互数据进行加密计算得出第一校验值，并通过SPI总线中的MOSI将第一校验值发送至Slave端，通过数据通信总线将交互数据发送至Slave端并拉高Master端的GPIO信号。
3.根据权利要求2所述的提高数据传输安全性的方法，其特征在于，所述步骤S300具体为：
Slave端基于接收到的交互数据进行加密计算得出第二校验值，比较第一校验值和第二校验值；若第一校验值和第二校验值相同，则判定传输结果为发送成功并有效；若第一校验值和第二校验值不同，则判定传输结果为发送失败；
所述第一校验值和所述第二校验值均基于相同的加密算法计算得出。
4.根据权利要求1所述的提高数据传输安全性的方法，其特征在于，步骤S460中的所述表征成功的数据通过自定义设置。
5.根据权利要求1所述的提高数据传输安全性的方法，其特征在于，Master端和Slave端分别按照相同排序储存N+1种检验算式或储存同一算式的N+1个种子。
6.根据权利要求5所述的提高数据传输安全性的方法，其特征在于，Master端与Slave端均采用CRC16算法，Master端与Slave端按照相同的index顺序，存储多项式、初始值、结果异或值、输入值反转和输出值反转参数。
7.根据权利要求1所述的提高数据传输安全性的方法，其特征在于，Slave端请求发起通信时，在Slave端的GPIO上输出的PWM信号包括1Khz、2Khz、3Khz和4Khz。
8.一种实施如权利要求1-7任一所述提高数据传输安全性的方法的系统，其特征在于，包括Master模块、Slave模块、GPIO、SPI总线和数据通信总线；Master模块和Slave模块通过GPIO、SPI总线和数据通信总线连接；
所述Master模块用于Master端主动发起通信，具体执行以下操作：拉低Master端的GPIO信号，通过SPI总线将第一校验值发送至Slave模块，通过数据通信总线将交互数据发送至Slave模块，并拉高Master端的GPIO信号；
所述Slave模块用于当Master端主动发起通信时根据接收到的交互数据计算第二校验值，基于第二校验值和接收到的第一校验值判断数据的传输结果，并将传输结果告知Master模块；
所述GPIO用于Master模块和Slave模块之间的发送逻辑判断；
所述SPI总线用于Master模块和Slave模块之间传输交互数据对应的校验值；
所述数据通信总线用于Master模块和Slave模块之间传输交互数据。
9.根据权利要求8所述的提高数据传输安全性的系统，其特征在于，
所述Master模块还用于当Slave端请求发起通信时接收Slave模块发出的PWM信号，并在SPI总线上发出SCK时钟信号；根据接收到的交互数据计算第四校验值，基于第四校验值和接收到的第三校验值判断数据的传输结果，若传输成功则拉低Master端的GPIO信号，通过SPI总线发送用于表征成功的数据，告知Slave模块此次发送成功；若传输失败，则保持Master端的GPIO信号为高，不给予反馈；
所述Slave模块还用于Slave端请求发起通信，具体执行以下操作：
Slave端选择加密算法，得出所述加密算法对应的PWM信号，并在Slave端的GPIO上输出所述PWM信号；Slave端接收到Master模块发出的SCK时钟信号后通过SPI总线将第三校验值发送给Master模块；通过数据通信总线将交互数据发送给Master模块，发送完成后将Slave端的GPIO信号拉高。
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