CN113794702A - 智能家居系统中通信高级别加密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种智能家居系统中通信高级别加密方法，包括：S1.第一通信方使用加密算法获得动态秘钥，并以该动态秘钥为加密秘钥对消息内容进行加密得到密文；S2.第一通信方将包含密文的通信包发送给第二通信方；S3.第二通信方使用同样的加密算法获得同样的动态秘钥，并使用该动态秘钥对密文进行解密获得所述的消息内容。本方案智能家居系统中智能网关与智能设备之间采用加密通信方式，能够提高智能家居系统的安全性，起到隐私防泄露和安全防护效果。

Description

智能家居系统中通信高级别加密方法
技术领域
本发明属于智能家居领域的加密技术，尤其是涉及一种智能家居系统中通信高级别加密方法。
背景技术
智能家居的出现给用户带来了便利，大大改善了我们的生活，但随着智能家居的普及，智能家居背后的安全问题也不能忽视，如果无法很好地保障智能家居系统的通信安全，就极容易出现隐私泄露、安防系统遭到破解进而遭到非法入侵等问题。所以智能家居系统中的通信安全尤其重要。
目前，信息加密方法主要有两种，一种是对称加密算法，一种是非对称加密算法。对称加密算法的通信双方事先会商定一个用于加密解密码的秘钥，安全性依赖于秘钥，泄露秘钥即意味着任何人都可以对他们发送或接收的消息解密，而且这个固定的秘钥存在很大的被破解风险，所以存在着严重的安全性不足问题。非对称加密算法采用的是公私钥加解密方法，通信双方将自己的公钥交给对方，对方用公钥将信息加密，然后通信双方用自己的私钥对信息解密得到消息内容。非对称加密的方式，公钥是公开的，通信各方只需要保护好自己的私钥即可，相对于对称算法具有更高的安全性。但是同样存在着一定的缺陷，例如，私钥是固定的，仍然存在一定的泄露风险；通信双方需要交换公钥，当一个网络环境中，涉及设备较多时，就需要交换大量的公钥，对当前网络环境的通信造成压力；而且公私钥加密方式由于加密和解密使用的是不同的秘钥，加密解密过程复杂，导致加密解密耗时过长，延长设备响应时间，而在智能家居系统中，为了提升用户体验，行业内一直在做智能设备极速响应的改进研发，非对称加密方式显然与智能家居系统的快速响应初衷背道而驰。
现有技术中，针对智能家居系统也提出了一些加密处理方法，但是都存在要么加密过程过于复杂，要么加密程度不够等缺点，例如中国专利公开的一种基于云计算的智能家居网关系统信息加密处理方法[申请号：CN202110200353.6]，该方案通过多个加密模块配合使用，对启动模块和云计算模块的内部存储的数据信息进行加密，能够提高破解的难度，但是需要使用多个加密模块配合使用，每次加密解密都需要启动不同的加密解密算法，存在加密代价高，加密解密所用时间过多等问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种智能家居系统中通信高级别加密方法。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种智能家居系统中通信高级别加密方法，包括以下步骤：
S1.第一通信方使用加密算法获得动态秘钥，并以该动态秘钥为加密秘钥对消息内容进行加密得到密文；
S2.第一通信方将包含密文的通信包发送给第二通信方；
S3.第二通信方使用同样的加密算法获得同样的动态秘钥，并使用该动态秘钥对密文进行解密获得所述的消息内容。
在上述的智能家居系统中通信高级别加密方法中，所述的加密算法获得所述动态秘钥所使用的参数包括消息ID、第一通信方身份信息和第二通信方身份信息中的一个或多个。
在上述的智能家居系统中通信高级别加密方法中，所述的加密算法通过以下方式获得所述的动态秘钥：
A.确定第一通信方身份信息和第二通信方身份信息；
B.通过使用第一通信方身份信息和第二通信方身份信息为参数的随机散列算法从密码本中随机挑选若干字节；
C.使用所述若干字节作为所述的动态秘钥。
在上述的智能家居系统中通信高级别加密方法中，所述的通信包包括明文，所述的第一通信方直接将包含明文和密文的通信包发送给通第二通信方；
或者，所述的第一通信方通过对称加密方法将包含明文和密文的通信包加密后发送给第二通信方，且第二通信方先使用对称秘钥对加密的通信包进行解密以获取所述的密文，然后使用所述的加密算法对密文进行解密。
在上述的智能家居系统中通信高级别加密方法中，步骤C中，将若干字节进行哈希值计算，并将获得的哈希值作为所述的动态秘钥。
在上述的智能家居系统中通信高级别加密方法中，所述的明文包括当前消息的消息ID；
在步骤C中，获取所述的消息ID，将消息ID和若干随机字节拼接后进行哈希值计算，并将获得的哈希值作为所述的动态秘钥。
在上述的智能家居系统中通信高级别加密方法中，所述的明文包括当前消息的消息ID；
在步骤C中，获取固定字段和消息ID，将固定字段、消息ID和若干随机字节拼接后进行哈希值计算，并将获得的哈希值作为所述的动态秘钥。
在上述的智能家居系统中通信高级别加密方法中，所述的密码本包括若干秘钥分区，每个秘钥分区均具有多个字节；
步骤B具体为：
B.通过使用第一通信方身份信息和第二通信方身份信息为参数的随机散列算法从其中一个秘钥分区随机挑选若干字节；
所述的明文中包括本次加密所使用秘钥分区的分区信息；主要指分区号，当密码本以密码页的形式存在时，一页为一个秘钥分区，分区信息则为页码
在上述的智能家居系统中通信高级别加密方法中，所述的第一通信方为智能设备或网关，所述的第二通信方为网关或智能设备，由网关检测加密算法是否存在被破解风险，若是，则相关第一通信方和第二通信方禁用当前秘钥分区或系统内所有智能设备和网关禁用当前秘钥分区。
在上述的智能家居系统中通信高级别加密方法中，步骤S1中，所述的密文包括有当前消息的时间戳；
步骤S3中，获得所述消息内容的同时获得相应的时间戳，并将时间戳与当前时间进行比对，若间隔时间超过设定时间，则无视当前消息。
本发明的优点在于：
1、智能家居系统中智能网关与智能设备之间采用加密通信方式，提高智能家居系统的安全性，起到隐私防泄露和安全防护效果；
2、采用特别的加密方式，通信双方使用的是一样的秘钥，能够降低加解密复杂度，提高加解密速度，从而避免加解密过于复杂对设备响应造成影响；同时通信双方所使用的秘钥具有足够的安全性，不法分子即使获取了某次或某几次通信的秘钥，也无法因此破解所有密文的秘钥。不法分子若需要解密，则需要同时获取加密算法的细节以及密码本；
3、具有比对称加密算法更安全，比非对称加密算法更简单快速等优点；
4、采用分页(分区)的密码本机制，当某一页存在被破解风险时，弃用这一页，转用另一页，使破解方无法找到密码规律，更无法反推加密算法细节，大大提高密码破解的难度；
5、密文中包含时间戳，对通信包设定有效时间，能够避免不法分子通过重放截获的通信包的方式来对智能设备进行非法控制；
6、动态秘钥与通信双方身份信息相关，每两个通信方之间都具有自己的动态秘钥规则，即使某个设备的消息内容被破解，也不会影响到其他设备；
7、动态秘钥同时与消息ID相关，每条消息都具有自己的加密秘钥，即使某个或几个消息内容被破解，也不会影响到其他通信；
8、利用加密算法本身，结合消息ID、通信双方UID等作为算法的动态挑选参数，保证同时不同设备秘钥不等，同体不同报文秘钥不等，各设备之间，单次通信之间的加解密具有一定的独立性，在低成本和低复杂度的前提下提高密码安全级别，并且能够防止黑客利用截获的通信包进行非法控制等操作，实现安全高级别应用层数据报文加密。
附图说明
图1为本发明实施例一中智能家居系统中通信高级别加密方法的方法流程图；
图2为本发明实施例一中判断通信包有效性的方法流程图；
图3为本发明实施例一中获得动态秘钥的方法流程图；
图4是本发明实施例二中指定秘钥分区的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
本实施例公开了一种智能家居系统中通信高级别加密方法，第一通信方和第二通信方均可以为智能家居系统中的智能设备和网关，实现智能设备之间，智能设备与网关之间，网关与网关之间的加密通信，本实施例以及后续的均以网关为第一通信方，智能设备为第二通信方为例，在投入使用时，不局限于网关向智能设备发送消息过程中的加密通信，例如，还可以以智能设备为第一通信方，网关为第二通信方实现智能设备与网关之间的加密通信等，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1.网关需要发送消息给某个智能设备；
S2.确定随机散列算法需要用到的通信双方的身份信息，具体到本实施例，即网关UID和作为网关消息发送对象的智能设备的设备UID；
S3.通过使用网关UID和设备UID为其中两个参数的随机散列算法从密码本中随机挑选若干字节；所挑选的若干字节中至少一个字节与网关UID相关，至少一个字节与设备UID相关，其余字节的挑选规则由本领域技术人员根据具体情况确定。
S4.使用所述若干字节作为动态秘钥，或者对若干字节进行哈希值计算，可以使用MD5算法进行哈希值计算，并将获得的哈希值作为动态秘钥，本实施例优选后者。MD5算法能够将若干字节转换为固定长度的字串，简化加解密过程。
S5.使用AES128加密算法对消息内容进行加密，并使用前面得到的动态秘钥作为密文的加密秘钥。使用对称加密算法的方式实现更高的安全功能，同时满足智能家居系统的响应速度和通信安全的特殊需要；
S6.网关将包含明文和密文的通信包发送给智能设备；
在同一智能家居系统中，网关知道自己的网关UID，同时也知道系统内所有智能设备的设备UID；同样地，智能设备也知道自己的设备UID和网关的网关UID，所以网关在确定通信对象时便可以确定设备UID，智能设备在接收到网关发送过来的通信包时可以直接确定网关UID和设备UID；所以明文中不需要包括第一通信方和第二通信方的身份信息，但是明文中可以包括第一通信方和第二通信方的身份信息；
S7.智能设备通过步骤S2-S4的方式得到同样的动态秘钥，并使用该动态秘钥对密文进行解密。
进一步地，网关直接将包含明文和密文的通信包发送给通智能设备；或者，网关通过对称加密方法将包含明文和密文的通信包加密后发送给智能设备，且智能设备先使用对称秘钥对加密的通信包进行解密以获取所述的密文，然后使用所述的加密算法对密文进行解密。
优选地，所述的密文包括有当前消息的时间戳；如图2所示，智能设备在获得所述消息内容的同时获得相应的时间戳，并将时间戳与当前时间进行比对，若间隔时间超过设定时间，则无视当前消息。设定时间可以根据具体情况设定，例如3分钟、5分钟或10分钟。通过该时间设定对通信包进行有效时间限制，过了有效时间，智能设备再接收到该通信包将不再理会该消息内容，所以即使网关发送给智能设备的通信包遭截获，黑客也不能使用该通信包来控制智能设备，能够避免黑客通过重放通信包来进行恶意控制的问题。
优选地，如图3所示，这里也可以将将消息ID、固定字段和随机散列算法挑选的若干字节组合成三元组，然后对三元组进行MD5计算，将获得的计算值作为动态秘钥。其中固定字段可以是智能家居系统确定的一个固定字段，用于混淆视听，消息ID用于实现同一个设备所发送的不同消息具有不同的秘钥。每条消息都具有自己的加密秘钥，即使某个或几个消息内容被破解，也不会影响到其他通信。
固定字段存储在每个智能设备和网关中，智能设备处的加密算法计算得到动态秘钥还需要知道消息ID，所以网关处发送的明文中还具有消息ID。
基于本方法，通信双方不进行秘钥的交换，能够保证秘钥的安全，而且通信双方采用的是对称方式进行加解密，加解密过程简单，能够有效降低加解密耗时。此外，加解密密文使用的是动态秘钥，动态秘钥同时与双方的UID以及消息ID有关，能够保证不同设备秘钥不等，同体设备不同报文秘钥不等，即使某个设备泄漏了秘钥，也不会对后续通信以及其他设备通信造成影响，提高整个系统的安全性。
实施例二
如图4所示，本实施例与实施例一类似，不同之处在于，本实施例中，密码本包括若干秘钥分区，每个秘钥分区均具有多个字节；例如，智能设备和网关均预留有2K的空间用来存储密码本，2K的空间被划分为每个分区64字节的32个秘钥分区，加密算法每次从32个秘钥分区中的一个秘钥分区挑选8个字节。
本实施例的步骤B具体为：通过使用网关UID和设备UID为参数的随机散列算法从其中一个秘钥分区随机挑选若干字节；可以由网关指定所有系统内的通信均使用某一个秘钥分区，也可以由信息发送方随机挑选一个秘钥分区，并从挑选的秘钥分区中挑选若干字节，本实施例优选前者。
具体地，信息发送方发送的通信包的明文中还具有指定密码页，具体到本实施例，网关向智能设备发送的通信包的明文中包含指定密码页，这样，收到通信包的智能设备便可以根据网关UID、设备UID使用随机散列算法从明文中指定的密码页挑选若干字节，然后对这若干字节、消息ID和固定字段进行MD5计算得到动态秘钥。
优选地，由网关检测系统是否存在通信安全问题，当网关检测存破解风险时，停止使用当前正在使用的秘钥分区，后续进行通信时更换使用其他秘钥分区。当网关检测到入侵痕迹或其他不安全信息时判断为存在一定的破解风险，也可以在某个秘钥分区使用次数达到上限或使用时间达到上限时判断为存在一定的破解风险。当所有秘钥分区都被弃用时，可以重新循环利用秘钥分区，当存在破解风险时，转用另一秘钥分区，通过及时更换秘钥分区来起增加密码破解难度，能够大大降低被破解的风险。
所以，本方案能够实现同时不同设备秘钥不等，同体不同报文秘钥不等，各设备之间，单次通信之间的加解密具有一定的独立性，同时通信双方使用的是对称加解密方式进行加密通信，能够提高加解密速度的同时保证极高的安全级别，可以应用于智能家居系统中智能门锁等安全性要求较高的智能设备与网关之间的加密通信。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了第一通信方、第二通信方、动态秘钥、消息内容、密码本、加密算法、随机散列算法等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种智能家居系统中通信高级别加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.第一通信方使用加密算法获得动态秘钥，并以该动态秘钥为加密秘钥对消息内容进行加密得到密文；
S2.第一通信方将包含密文的通信包发送给第二通信方；
S3.第二通信方使用同样的加密算法获得同样的动态秘钥，并使用该动态秘钥对密文进行解密获得所述的消息内容。
2.根据权利要求1所述的智能家居系统中通信高级别加密方法，其特征在于，所述的加密算法获得所述动态秘钥所使用的参数包括消息ID、第一通信方身份信息和第二通信方身份信息中的一个或多个。
3.根据权利要求2所述的智能家居系统中通信高级别加密方法，其特征在于，所述的加密算法通过以下方式获得所述的动态秘钥：
A.确定第一通信方身份信息和第二通信方身份信息；
B.通过使用第一通信方身份信息和第二通信方身份信息为参数的随机散列算法从密码本中随机挑选若干字节；
C.使用所述若干字节作为所述的动态秘钥。
4.根据权利要求3所述的智能家居系统中通信高级别加密方法，其特征在于，所述的通信包包括明文，所述的第一通信方直接将包含明文和密文的通信包发送给通第二通信方；
或者，所述的第一通信方通过对称加密方法将包含明文和密文的通信包加密后发送给第二通信方，且第二通信方先使用对称秘钥对加密的通信包进行解密以获取所述的密文，然后使用所述的加密算法对密文进行解密。
5.根据权利要求4所述的智能家居系统中通信高级别加密方法，其特征在于，步骤C中，将若干字节进行哈希值计算，并将获得的哈希值作为所述的动态秘钥。
6.根据权利要求4所述的智能家居系统中通信高级别加密方法，其特征在于，所述的明文包括当前消息的消息ID；
在步骤C中，获取所述的消息ID，将消息ID和若干随机字节拼接后进行哈希值计算，并将获得的哈希值作为所述的动态秘钥。
7.根据权利要求4所述的智能家居系统中通信高级别加密方法，其特征在于，所述的明文包括当前消息的消息ID；
在步骤C中，获取固定字段和消息ID，将固定字段、消息ID和若干随机字节拼接后进行哈希值计算，并将获得的哈希值作为所述的动态秘钥。
8.根据权利要求4-7任意一项所述的智能家居系统中通信高级别加密方法，其特征在于，所述的密码本包括若干秘钥分区，每个秘钥分区均具有多个字节；
步骤B具体为：
B.通过使用第一通信方身份信息和第二通信方身份信息为参数的随机散列算法从其中一个秘钥分区随机挑选若干字节；
所述的明文中包括本次加密所使用秘钥分区的分区信息。
9.根据权利要求8所述的智能家居系统中通信高级别加密方法，其特征在于，所述的第一通信方为智能设备或网关，所述的第二通信方为网关或智能设备，由网关检测加密算法是否存在被破解风险，若是，则相关第一通信方和第二通信方禁用当前秘钥分区或系统内所有智能设备和网关禁用当前秘钥分区。
10.根据权利要求1所述的智能家居系统中通信高级别加密方法，其特征在于，步骤S1中，所述的密文包括有当前消息的时间戳；
步骤S3中，获得所述消息内容的同时获得相应的时间戳，并将时间戳与当前时间进行比对，若间隔时间超过设定时间，则无视当前消息。
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