CN113777983A - 一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法与装置 - Google Patents

一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法与装置 Download PDF

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CN113777983A CN202111006985.5A CN202111006985A CN113777983A CN 113777983 A CN113777983 A CN 113777983A CN 202111006985 A CN202111006985 A CN 202111006985A CN 113777983 A CN113777983 A CN 113777983A
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聂欣红
彭荣
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Abstract

本发明提出了一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法与装置。包括：通过记录数据传输过程中的时间标签值，计算出时间延迟值；通过对时间延迟值进行分析，根据分析结果设计合理的加密方案对数据进行加密处理，能够降低数据传输的延迟，提高数据传输的安全性；通过AES加密方法以及优化的ECC加密方法进行混合加密，提升了加密算法的计算效率，保证了数据传输的稳定性和完整性；通过ZigBee与NB‑IoT进行组网，避免了因信号弱导致数据无法同步更新，增强了信号稳定性，提高了数据传输的效率。

Description

一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法与装置
技术领域
本发明涉及数据同步领域，尤其涉及一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法与装置。
背景技术
物联网的定义是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪和管理的一种网络，因此，物联网的基本特征可概括为整体感知、可靠传输和智能处理，这些基本特征紧紧地围绕着信息的流动。
目前在物联网技术中，物联网设备的数据传输模式都是由用户控制端的设备向数据中心发送数据请求，再由数据中心与互联网设备进行交互，并将最终结果反馈给用户控制端。随着物联网设备越来越智能化、个性化，数据传输也就越来越复杂，各类数据混杂一起，造成控制端及数据同步时延较长，导致集群服务响应慢；在数据传输的过程中，数据传输的过程大部分是基于http协议或者https协议传输，但是http协议和https协议有个致命的缺点，就是不够安全，现有技术往往采用一种加密方式对所有需要传输的数据进行加密，从而导致了数据传输速度慢，时延复杂；物联网设备通常采用无线传输技术，时常因所处的网络环境不稳定导致物联网设备与数据中心的数据没有完全同步更新。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法与装置，在保证了数据传输安全性的前提下，降低了数据传输的延迟，在网络不稳定的情况下，数据也能够完全同步更新。
本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法，所述方法包括以下步骤：
S100，设置无线传输模块，判断无线传输模块中各个节点之间的接收信号强弱，检测当前网络信号，若当前网络信号弱，则与强度最高的节点进行组网；若存在多个强度相同的最高节点，比较各个节点的数据传输速率，选择强度最高、数据传输速率最快的节点进行组网；
S200，客户端发出请求数据至数据处理中心，数据处理中心对所述请求数据处理后进行反馈，生成反馈数据，再将反馈数据发送至客户端，记录请求数据由客户端发送至数据处理中心再由数据处理中心反馈至客户端过程中的时间标签值；
S300，计算所述请求数据从客户端发送到数据处理中心再由数据处理中心反馈到客户端的过程中所花费的单程时间，然后根据单程时间计算出客户端发送请求数据至接收到反馈数据的总时间，计算出时间延迟值；
S400，对时间延迟值进行分析，根据分析结果设计加密方案，对需要传输的数据进行加密传输，完成高速数据同步。
在以上技术方案的基础上，优选的S100步骤中，无线传输模块包括至少一个Zigbee模块以及多个NB-IoT模块，每个Zigbee模块包括一个Zigbee协调器、若干个Zigbee路由器节点以及若干个Zigbee终端节点，每个NB-IoT模块还包括WIFI接收单元、USB-to-UART桥控制单元以及USB接口；每个Zigbee模块组成一个双向全覆盖的组网系统，各个节点之间能够自动判断接收信号强弱，检测当前网络信号状态，若当前网络信号状态弱，则与接收信号强度最高的节点进行组网；将数据传送给NB-IoT模块，NB-IoT模块对数据进行处理后直接输出至物联网设备中。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S200中，记录请求数据由客户端发送至数据处理中心再由数据处理中心反馈至客户端过程中的时间标签值，具体步骤为：
获取第一时间值，客户端在第一时间发出的请求数据，并将发送时刻作为第一时间值；
获取第二时间值，数据处理中心接收所述客户端发出的请求数据，并将接收时刻作为第二时间值；
获取第三时间值，数据处理中心对接收到的请求数据进行反馈，发出反馈数据，并将反馈时刻作为第三时间值；
获取第四时间值，客户端接收到所述反馈数据，并将接收时刻作为第四时间值。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S300中，所述时间延迟值的计算公式为：
RTT＝(d-a)-(c-b)
式中，a表示第一时间值，b表示第二时间值，c表示第三时间值，d表示第四时间值。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S400中，采用AES-ECC混合加密，其步骤包括：
S401，获取数据明文x，对数据明文x进行AES加密得到AES密钥k和数据密文X；
S402，对AES加密的AES密钥k进行椭圆加密算法ECC加密，得到密文C1和密文C2，并对数据密文X使用数字签名；
S403，将步骤S401中生成的数据密文X、步骤S402中得到的密文C1和密文C2以及数据密文X的数字签名一起发送给接收方；
S404，接收方使用ECC解密算法解密出AES密钥并进行签名验证；
S405，若签名验证通过，则使用AES密钥对数据密文X进行解密，得到原数据x；若签名不通过，返回错误信息。
更进一步优选的，步骤S403中，对AES加密的AES密钥k进行椭圆加密算法ECC加密，得到加密后的密钥K，还包括，随机生成一个椭圆曲线Ep(m，n)，基点为G，公钥为K，其中，设置K＝kG，产生随机大整数r，采用BCH编码算法将K编码到Ep(m，n)上的点E；
将随机大整数r通过双基链表示法展开，利用随机数划分方法估算最优多基数链，计算随机大整数r与公钥K的标量乘，计算随机大整数r与基点G的标量乘，得到密文C1和密文C2。
更进一步优选的，对随机大整数r进行NAF编码：
Figure BDA0003237571290000041
其中，rn表示经过NAF编码后的r，n表示编码后r的比特长度，si为前导系数；
对标量乘窗口进行划分，设置预计算窗口大小w，
Figure BDA0003237571290000042
其中
Figure BDA0003237571290000043
根据预计算窗口大小将rn划分为窗口Rj的组合，
Figure BDA0003237571290000044
j∈[0,n/w]，Rj表示rn的第j个窗口，基础链最大长度为
Figure BDA0003237571290000045
计算窗口Rj的最优多基数链M；
通过M计算出随机大整数r与公钥K的标量乘以及随机大整数r与基点G的标量乘：
Figure BDA0003237571290000051
更进一步优选的，所述最优多基数链M的计算方法为：
Figure BDA0003237571290000052
式中，si为前导系数，b为基底EB的集合，y为基底EB对应的指数系数。更进一步优选的，所述密文C1和密文C2的计算公式为：
C1＝E+rK，C2＝rG
式中，rK和rG为椭圆曲线标量乘运算。
另一方面，本申请还提出了一种物联网设备与数据中心高速数据同步的装置，其包括数据发送模块、数据处理模块、数据接收模块、时延计算模块、数据加密模块以及无线传输模块；
数据发送模块，用于客户端发送请求数据；
数据处理模块，用于数据处理中心对所述请求数据进行处理和反馈；
数据接收模块，用于客户端接收由所述数据处理中心的反馈数据；
时延计算模块，用于记录各个时间标签，并计算出数据传输过程中的时间延迟值；
数据加密模块，用于对需要进行传输的数据进行加密；
无线传输模块，用于检测当前网络信号状态，根据检测结果，对当前网络进行调整；
所述一种物联网设备与数据中心高速数据同步的装置为实现如上文所述的一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法的步骤。
本发明的一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法与装置相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)通过对数据传输的时间延迟值进行分析，设计出合理的加密方案对数据进行加密处理，能够有效的降低数据同步时延，提高数据传输的效率；
(2)通过AES-ECC混合加密的方法，首先采用AES加密对需要传输的数据明文进行加密；通过优化的ECC加密对AES加密的密钥进行加密，提高了密钥的安全性，并对AES加密后的数据密文进行数字签名；采用ECC解密对AES密钥进行解密并签名验证，提高了数据传输的安全性和完整性，减少了数据加密解密过程中的耗时操作；
(3)通过对ECC加密算法进行优化，将基数链长预先计算方法与椭圆曲线标量乘方法结合，预先计算基数链链长，根据长度合理分配内存空间，计算最优多基数链，以提升加密算法的计算效率。
(4)通过设置Zigbee模块组成一个双向全覆盖的组网系统，各个节点之间能够进行组网，通过对当前网络信号状态进行检测，根据检测结果与接收信号强度最高的节点进行组网，避免了因信号弱导致的数据不能及时同步的问题；
(5)通过设置NB-IoT模块与Zigbee模块进行连接，通过USB-to-UART桥控制单元对数据进行处理，能够将数据快速的输出至物联网设备，提高了数据传输效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法的流程示意图；
图2为本发明中AES-ECC混合加密方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法，如图1所示，其包括以下步骤：
S100，设置无线传输模块，判断无线传输模块中各个节点之间的接收信号强弱，检测当前网络信号，若当前网络信号弱，则与强度最高的节点进行组网；若存在多个强度相同的最高节点，比较各个节点的数据传输速率，选择强度最高、数据传输速率最快的节点进行组网；
S200，客户端发出请求数据至数据处理中心，数据处理中心对所述请求数据处理后进行反馈，生成反馈数据，再将反馈数据发送至客户端，记录请求数据由客户端发送至数据处理中心再由数据处理中心反馈至客户端过程中的时间标签值；
S300，计算所述请求数据从客户端发送到数据处理中心再由数据处理中心反馈到客户端的过程中所花费的单程时间，然后根据单程时间计算出客户端发送请求数据至接收到反馈数据的总时间，计算出时间延迟值；
S400，对时间延迟值进行分析，根据分析结果设计加密方案，对需要传输的数据进行加密传输，完成高速数据同步。
应当理解的是，获取第一时间值，客户端在第一时间发出的请求数据，并将发送时刻作为第一时间值a；获取第二时间值，数据处理中心接收所述客户端发出的请求数据，并将接收时刻作为第二时间值b；获取第三时间值，数据处理中心对接收到的请求数据进行反馈，发出反馈数据，并将反馈时刻作为第三时间值c；获取第四时间值，客户端接收到所述反馈数据，并将接收时刻作为第四时间值d；因此，时间延迟值的计算公式为RTT＝(d-a)-(c-b)；
其中，(c-b)为数据处理中心处理时间，处理时间远小于传输时间，(c-b)近似于0，因此，时间延迟值的计算公式也可以表达为RTT＝c-b。
物联网设备通常采用无线传输技术，其中，Zigbee是一种短距离、低功耗的局域无线通信技术，NB-IoT是一种支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接技术，为了使数据能够同步更新，需要稳定的网络状态，将Zigbee和NB-IoT融合组网，能够满足数据传输的要求；现有的Zigbee网络中仅设置了单一路由设备，在加入组网时需要大量人工操作，过程复杂，设备间的信号不稳定，因此，本实施例中设置了无线传输模块，包括至少一个Zigbee模块以及多个NB-IoT模块，每个Zigbee模块包括一个Zigbee协调器、若干个Zigbee路由器节点以及若干个Zigbee终端节点，每个Zigbee模块组成一个双向全覆盖的组网系统，各个节点之间能够自动判断接收信号强弱，检测当前网络信号状态，若当前网络信号状态弱，则与接收信号强度最高的节点进行组网，能够最大限度的扩充局域网络范围；若存在多个强度相同的最高节点，比较各个节点的的数据传输速率，选择强度最高、数据传输速率最快的节点进行组网；现有的NB-IoT模块仅配备UART接口，用户无法通过常规的USB接口快速将NB-IoT模块与物联网设备进行通信，不利于物联网络的快速组成，本实施例的NB-IoT模块包括WIFI接收单元、NB-IoT功能子单元、USIM接口子单元、电源转化子单元、电源维稳子单元USB-to-UART桥控制单元以及USB接口，在WIFI接收单元接收数据后，NB-IoT功能子单元连同USIM接口子单元、电源转化子单元以及电源维稳子单元对数据进行处理，然后通过USB-to-UART桥控制单元中的USB转UART芯片进行规格转换，方便通过USB接口直接输出至物联网设备中，提高了数据传输的效率；
在实际应用中，会因为某些客观的原因，例如设备采用的主控芯片、电路板的制作质量是否优良等，影响设备中的数据传输速率，因此，当存在多个强度相同的最高节点，比较各个节点的数据传输速率，选择强度最高、数据传输速率最快的节点进行组网；其中，数据传输速率的计算公式为R＝(1/T)*log2N(bps)，T为一个数字脉冲信号的宽度或重复周期，单位为秒；一个数字脉冲也称为一个码元，N为一个码元所取的有效离散值个数，也称调制电平数，N取2的整数次方值，若一个码元可取0和1两种离散值，则该码元只能携带一位二进制信息；若一个码元可取00，01，10，11四种离散值，则该码元就能携带两位二进制信息；以此类推，若一个码元可取N种离散值，则该码元能携带logN位二进制信息；当N＝2时，数据传输速率的公式就可简化为：R＝1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。
在本实施例中，如图2所示，采用ECC-AES混合加密，其加密方法包括以下步骤：
S401，获取数据明文x，对数据明文x进行AES加密得到AES密钥k和数据密文X；
S402，对AES加密的AES密钥k进行椭圆加密算法ECC加密，得到密文C1和密文C2，并对数据密文X使用数字签名；
S403，将步骤S401中生成的数据密文X、步骤S402中得到的密文C1和密文C2以及数据密文X的数字签名一起发送给接收方；
S404，接收方使用ECC解密算法解密出AES密钥并进行签名验证；
S405，若签名验证通过，则使用AES密钥对数据密文X进行解密，得到原数据x；若签名不通过，返回错误信息。
应当理解的是，ECC与其他的加密算法相比使用的密钥更小，但是能够安全性更高，但是与AES和DES等加密算法相比，ECC加密算法的时间复杂度更高，ECC加密算法中占主要计算时间的是标量乘算法，因此，本实施例对标量乘算法进行了改进，将基数链长预先计算方法与椭圆曲线标量乘方法结合，预先计算基数链链长，根据长度合理分配内存空间，计算最优多基数链，以提升加密算法的计算效率。
步骤S403中，对AES加密的AES密钥k进行椭圆加密算法ECC加密，得到加密后的密钥K，还包括，随机生成一个椭圆曲线Ep(m，n)，基点为G，公钥为K，其中，设置K＝kG，产生随机大整数r，采用BCH编码算法将K编码到Ep(m，n)上的点E；
将随机大整数r通过双基链表示法展开，利用随机数划分方法估算最优多基数链，计算随机大整数r与公钥K的标量乘，计算随机大整数r与基点G的标量乘，得到密文C1和密文C2。
更进一步优选的，对随机大整数r进行NAF编码：
Figure BDA0003237571290000101
其中，rn表示经过NAF编码后的r，n表示编码后r的比特长度，si为前导系数；
对标量乘窗口进行划分，设置预计算窗口大小w，
Figure BDA0003237571290000102
其中
Figure BDA0003237571290000111
根据预计算窗口大小将rn划分为窗口Rj的组合，
Figure BDA0003237571290000112
j∈[0,n/w]，Rj表示rn的第j个窗口，基础链最大长度为
Figure BDA0003237571290000113
计算窗口Rj的最优多基数链M；
通过M计算出随机大整数r与公钥K的标量乘以及随机大整数r与基点G的标量乘：
Figure BDA0003237571290000114
更进一步优选的，所述最优多基数链M的计算方法为：
Figure BDA0003237571290000115
式中，si为前导系数，b为基底EB的集合，y为基底EB对应的指数系数。更进一步优选的，所述密文C1和密文C2的计算公式为：
C1＝E+rK，C2＝rG
式中，rK和rG为椭圆曲线标量乘运算。
步骤S404中，接收方使用ECC解密算法解密出ECC公钥K，再使用ECC解密算法解密出AES密钥k，并进行签名验证。
此外，本发明实施例还提供了一种物联网设备与数据中心高速数据同步的装置，其包括数据发送模块、数据处理模块、数据接收模块、时延计算模块、数据加密模块以及无线传输模块；
数据发送模块，用于客户端发送请求数据；
数据处理模块，用于数据处理中心对所述请求数据进行处理和反馈；
数据接收模块，用于客户端接收由所述数据处理中心的反馈数据；
时延计算模块，用于记录各个时间标签，并计算出数据传输过程中的时间延迟值；
数据加密模块，用于对需要进行传输的数据进行加密；
无线传输模块，用于检测当前网络信号状态，根据检测结果，对当前网络进行调整；
所述一种物联网设备与数据中心高速数据同步的装置为实现如上文所述的一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法的步骤。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法，其特征在于，所述方法包括：
S100，设置无线传输模块，判断无线传输模块中各个节点之间的接收信号强弱，检测当前网络信号，若当前网络信号弱，则与强度最高的节点进行组网；若存在多个强度相同的最高节点，比较各个节点的数据传输速率，选择强度最高、数据传输速率最快的节点进行组网；
S200，客户端发出请求数据至数据处理中心，数据处理中心对所述请求数据处理后进行反馈，生成反馈数据，再将反馈数据发送至客户端，记录请求数据由客户端发送至数据处理中心再由数据处理中心反馈至客户端过程中的时间标签值；
S300，计算所述请求数据从客户端发送到数据处理中心再由数据处理中心反馈到客户端的过程中所花费的单程时间，然后根据单程时间计算出客户端发送请求数据至接收到反馈数据的总时间，计算出时间延迟值；
S400，对时间延迟值进行分析，根据分析结果设计加密方案，对需要传输的数据进行加密传输，完成高速数据同步。
2.如权利要求1所述的一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法，其特征在于：S100步骤中，无线传输模块包括至少一个Zigbee模块以及多个NB-IoT模块，每个Zigbee模块包括一个Zigbee协调器、若干个Zigbee路由器节点以及若干个Zigbee终端节点，每个NB-IoT模块还包括WIFI接收单元、USB-to-UART桥控制单元以及USB接口；每个Zigbee模块组成一个双向全覆盖的组网系统，各个节点之间能够自动判断接收信号强弱，检测当前网络信号状态，若当前网络信号状态弱，则与接收信号强度最高的节点进行组网；将数据传送给NB-IoT模块，NB-IoT模块对数据进行处理后直接输出至物联网设备中。
3.如权利要求1所述的一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法，其特征在于：
步骤S200中，记录请求数据由客户端发送至数据处理中心再由数据处理中心反馈至客户端过程中的时间标签值，具体步骤为：
获取第一时间值，客户端在第一时间发出的请求数据，并将发送时刻作为第一时间值；
获取第二时间值，数据处理中心接收所述客户端发出的请求数据，并将接收时刻作为第二时间值；
获取第三时间值，数据处理中心对接收到的请求数据进行反馈，发出反馈数据，并将反馈时刻作为第三时间值；
获取第四时间值，客户端接收到所述反馈数据，并将接收时刻作为第四时间值。
4.如权利要求3所述的一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法，其特征在于：步骤S300中，所述时间延迟值的计算公式为：
RTT＝(d-a)-(c-b)
式中，a表示第一时间值，b表示第二时间值，c表示第三时间值，d表示第四时间值。
5.如权利要求1所述的一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法，其特征在于：步骤S400中，采用AES-ECC混合加密，其步骤包括：
S401，获取数据明文x，对数据明文x进行AES加密得到AES密钥k和数据密文X；
S402，对AES加密的AES密钥k进行椭圆加密算法ECC加密，得到密文C1和密文C2，并对数据密文X使用数字签名；
S403，将步骤S401中生成的数据密文X、步骤S402中得到的密文C1和密文C2以及数据密文X的数字签名一起发送给接收方；
S404，接收方使用ECC解密算法解密出AES密钥并进行签名验证；
S405，若签名验证通过，则使用AES密钥对数据密文X进行解密，得到原数据x；若签名不通过，返回错误信息。
6.如权利要求5所述的一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法，其特征在于：步骤S403中，对AES加密的AES密钥k进行椭圆加密算法ECC加密，得到加密后的密钥K，还包括，随机生成一个椭圆曲线Ep(m，n)，基点为G，公钥为K，其中，设置K＝kG，产生随机大整数r，采用BCH编码算法将K编码到Ep(m，n)上的点E；
将随机大整数r通过双基链表示法展开，利用随机数划分方法估算最优多基数链，计算随机大整数r与公钥K的标量乘，计算随机大整数r与基点G的标量乘，得到密文C1和密文C2。
7.如权利要求6所述的一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法，其特征在于：对随机大整数r进行NAF编码：
Figure FDA0003237571280000031
其中，rn表示经过NAF编码后的r，n表示编码后r的比特长度，si为前导系数；
对标量乘窗口进行划分，设置预计算窗口大小w，
Figure FDA0003237571280000032
其中
Figure FDA0003237571280000033
根据预计算窗口大小将rn划分为窗口Rj的组合，
Figure FDA0003237571280000041
Rj表示rn的第j个窗口，基础链最大长度为
Figure FDA0003237571280000042
计算窗口Rj的最优多基数链M；
通过M计算出随机大整数r与公钥K的标量乘以及随机大整数r与基点G的标量乘：
Figure FDA0003237571280000043
8.如权利要求7所述的一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法，其特征在于：所述最优多基数链M的计算方法为：
Figure FDA0003237571280000044
式中，si为前导系数，b为基底EB的集合，y为基底EB对应的指数系数。
9.如权利要求8所述的一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法，其特征在于：所述密文C1和密文C2的计算公式为：
C1＝E+rK，C2＝rG
式中，rK和rG为椭圆曲线标量乘运算。
10.一种物联网设备与数据中心高速数据同步的装置，其包括数据发送模块、数据处理模块以及数据接收模块，其特征在于，还包括：时延计算模块、数据加密模块以及无线传输模块；
数据发送模块，用于客户端发送请求数据；
数据处理模块，用于数据处理中心对所述请求数据进行处理和反馈；
数据接收模块，用于客户端接收由所述数据处理中心的反馈数据；
时延计算模块，用于记录各个时间标签，并计算出数据传输过程中的时间延迟值；
数据加密模块，用于对需要进行传输的数据进行加密；
无线传输模块，用于检测当前网络信号状态，根据检测结果，对当前网络进行调整；
所述一种物联网设备与数据中心高速数据同步的装置为实现如权利要求1至9任一项所述的一种物联网设备与数据中心高速数据同步的方法的步骤。
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