本文摘要：摘要：目前基于無線技術的智能家居系統給人們帶來了舒適和便利，但系統容易遭受攻擊，有較多的隱私數據需要保護。針對無線通信中數據安全問題，設計了一種智能家居系統及其安全通信方法，即設計了系統的組網結構，規劃了外網和內網。內網的家居設備節點采集信息并采用Z
摘要：目前基于無線技術的智能家居系統給人們帶來了舒適和便利，但系統容易遭受攻擊，有較多的隱私數據需要保護。針對無線通信中數據安全問題，設計了一種智能家居系統及其安全通信方法，即設計了系統的組網結構，規劃了外網和內網。內網的家居設備節點采集信息并采用ZigBee通信方式，其它設備采用WiFi通信方式。路由器部署為MQTT服務器，手機等控制設備為MQTT客戶端，并在服務器上進行SSL通信相關的配置、設計客戶端程序。每次外部網絡的MQTT客戶端訪問服務器時，先采用安全的內網穿透方案ZeroTier連接到內部網絡，再通過SSL協議產生公鑰和證書，進行安全通信。提出基于L-P混沌系統交叉擴散方法產生AES初始輪密鑰，并用于ZigBee安全通信。實驗結果為外網MQTT客戶端和服務器可以連接到一個ZeroTier網絡，并通過SSL協議安全通信;ZigBee通信方式達到了加密效果，相對標準AES算法，加密時間短、平均端到端通信延遲小，分別降低了3.77%和28.5%，且能量消耗少，節點平均剩余能量提高了30.22%。因此，實驗結果表明，本文提出的通信方法安全,且具有應用性。
關鍵詞：智能家居;WiFi通信方式;ZigBee通信方式;MQTT服務器;混沌系統
0引言
基于無線組網的智能家居系統，便于安裝、擴展，使人們生活更加便利和智能。大容量、低功耗、低成本是智能家居的重要需求[1]，Zigbee技術最多可組成65000個節點的網絡，節點使用兩節干電池可工作0.5-2年，Zigbee芯片價格較低[2]，因此，ZigBee技術能很好的滿足智能家居的應用場景[3]。此外，MQTT(消息隊列遙測傳輸協議)是一種低開銷[4]、低帶寬的即時通信協議[5]，可以為遠程設備提供實時可靠的消息服務[6]，易于實現智能家居設備的遠程控制[7]。伴隨通信技術的引入，智能家居也遭到了大量的網絡威脅，用戶信息在傳輸過程中容易被竊取和篡改，迫切需要解決數據在傳輸過程中的安全問題[8]。
文獻[9]提出了一種內網穿透控制智能家居設備的方案，手機APP和家庭路由器之間采用ZeroTier方案進行P2P內網穿透的通信，保證了安全性，提高了遠程控制響應速度，但未涉及家居設備間的安全通信方法。文獻[10]以智能終端遠程控制的智能家居系統為模型，分析了智能家居的安全風險問題，并提出了相應的防護手段，重點給出了認證、加密、安全傳輸協議的應用分析，但未進行應用相關的實驗。文獻[11]將智能家居的安全問題劃分為平臺安全、設備安全、通信安全，分析了他們的研究現狀，并提出了未來的研究方向。
文獻[12]提出了融合身份認證和AES算法的智能家居通信安全系統，系統的外部網絡通信，采用一次口令認證登錄，內部網絡通信通過動態生成128位密鑰的AES算法加密，提高了系統保密性，保證系統中數據傳輸更加安全，有效解決了智能家居的安全通信問題，但輸入數據量增加，系統運行時間會增加，系統的穩定性及有效性有待提高。文獻[13]實時提取、處理人體脈搏特征數據，生成128位密鑰，然后使用ECC加密密鑰、AES算法加密原始數據，時空開銷低，可以適應健康智能家居系統數據處理要求，但密鑰的隨機性有待改進。
因此，考慮到Logistic混沌映射產生的變量具有較強的遍歷性[14]、較好的隨機性[15]，如文獻[16]改進了標準Logistic混沌映射，提高了種群多樣性，改善了教育學優化算法的精度和效率。綜合分析以上文獻本文設計了一種基于ZigBee智能家居系統，提出了系統的安全通信方法。首先給出了系統的組網結構，部署了系統的MQTT服務器和客戶端，并設計了他們之間的安全通信方案。然后，提出基于L-P混沌系統交叉擴散方法產生AES初始輪密鑰，并用于家居設備之間的ZigBee安全通信。
1系統組網結構及安全通信方法研究
1.1系統組網結構設計
系統包括內部網絡和外部互聯網，內部網絡便于用戶在家控制家居設備，外部網絡用于實現遠程控制，內部網絡傳輸的數據量小、傳輸距離短、節點多，采用ZigBee協議通信方式，外部網絡采用安全的內網穿透方案ZeroTier，并基于MQTT協議進行遠程控制。路由器作為MQTT服務器，Android手機和Z-W控制器作為MQTT客戶端，內部網絡的ZigBee終端節點通過傳感器采集室內的溫度、光照等信息，并通過ZigBee協議發送給Z-W控制器，Z-W控制器再通過WiFi發送給MQTT服務器。
Android手機是控制設備，可以發送控制信息給MQTT服務器，MQTT服務器再發送給Z-W控制器，Z-W控制器依據接收的控制信息，控制家居設備進行相應動作，如開啟或關閉窗簾、開/關電燈等。因此，系統主要包括MQTT客戶端和服務器之間的通信、ZigBee節點之間的通信，下面分別介紹它們之間的安全通信方法。
1.2MQTT客戶端和服務器之間的安全通信
Andriod手機和Z-W控制器之間使用MQTT協議通信，需要研究MQTT協議的安全性。本文的安全通信體現在MQTT客戶端通過用戶名和密碼登陸服務器，MQTT服務器啟用SSL安全連接，處于非家居內網的Andriod手機1使用內網穿透方案ZeroTier，實現在加密安全的全球點對點(P2P)對等網上進行分布式的管理。 2)通信平臺構建路由器上刷OpenWrt系統，以小米路由器mini為例，刷OpenWrt18.06，安裝MQTT服務器mosquitto軟件，并客戶端用戶名、密碼，配置SSL，實現MQTT客戶端和服務器的安全通信，搭建ZeroTier網絡，安裝ZeroTier客戶端軟件，實現外網的Andriod手機安全訪問內網的Z-W控制器。
主要步驟：步驟1：路由器刷OpenWrt系統(1)刷入與路由器型號對應的開發版系統(2)獲取SSH工具(3)獲取路由器的root權限(4)刷入OpenWrt系統步驟2：服務器mosquito軟件安裝及配置(1)通過putty軟件，使用SSH協議登陸到路由器，通過以下命令安裝mosquitto服務器軟件opkginstallmosquito(2)配置MQTT客戶端登陸的用戶名和密碼第1步：修改mosquitto.conf配置文件內容，禁止匿名用戶登陸，使用密碼文件password_file、訪問權限列表文件acl_file。
allow_anonymousfalsepassword_file/etc/mosquito/pwfileacl_file/etc/mosquittto/aclfile第2步：添加用戶名和密碼為MQTT客戶端Andriod手機和Z-W控制器分別設置用戶名、密碼，假設Andriod手機的用戶名、密碼都為samqtt，則配置用戶名的命令如下：mosquito_passwd-c/etc/mosquito/pwfilesamqtt按提示輸入2次密碼即可。第3步：添加用戶的主題控制權限在/etc/mosquito/目錄下，新建一個文件aclfile，添加命令，指定所有MQTT用戶對所有主題都有讀寫權限，以便訂閱或發布家居系統的信息。
步驟3：配置通過ssl通信首先，安裝openssl然后，按以下步驟產生證書文件第1步：產生CA的公鑰和證書文件opensslreq-new-x509-days36500-extensionsv3_ca-keyoutca.key-outca.crt第2步：為MQTT服務器產生一個私鑰文件server.key，并設置加密方式opensslgenrsa-outserver.key2048opensslgenrsa-des3-outserver.key2048第3步：為MQTT服務器產生一個簽發證書的請求文件“server.csr”opensslreq-outserver.csr-keyserver.key-new第4步：為mosquittoserver產生一個證書文件opensslx509-req-inserver.csr-CAca.crt-CAkeyca.key-CAcreateserial-outserver.crt-days36500第5步：重復a-f步，為3個MQTT客戶端生成證書文件。
步驟3：搭建ZeroTier網絡(1)在ZeroTier官網先注冊賬號。(2)下載OpenWrt系統、Android系統的ZeroTier客戶端軟件，并分別安裝到路由器、Android手機1上。(3)網頁登錄個人賬號工作面板，創建網絡ID。(4)在使用環境中運行ZeroTierOne軟件，加入創建好的網絡ID。(5)在工作面板上授權各客戶端的連接，分配虛擬局域網IP。
(6)網絡連通測試。由路由器向手機IPv4地址發送PING包，若建立起了P2P通道，則可PING通。3)安全通信方案實現方法Android手機和Z-W控制器都是MQTT客戶端，而且Android手機是控制端，它們之間通過路由器實現通信，因此，Android手機和Z-W控制器都需要設計MQTT客戶端程序，本文使用AndroidStudio設計Android手機MQTT客戶端程序，采用Arduino開發環境設計Z-W控制器的MQTT客戶端程序。
設計完成后，Android手機1采用ZeroTier技術分配的虛擬局域網IP地址，進行網絡連通后，從手機APP發布的MQTT消息內網穿透后，直接以P2P方式傳到路由器，路由器上MQTT服務器收到這個消息后，轉發給Z-W控制模塊從而控制家居設備，從而控制ZigBee終端節點。
1.3ZigBee網絡的安全通信
由系統的網絡結構可知，Z-W控制器既包括WiFi模塊，也包括ZigBee協調器模塊，后者和ZigBee終端節點統稱ZigBee節點，組成了ZigBee網絡，通過改進的Z-Stack協議棧AES加密算法實現它們之間的安全通信。Z-Stack協議棧中文件nwk_global.c給出了默認的初始輪密鑰，所有ZigBee節點開啟AES加密算法后，可以設置協調器節點向各個節點發送初始輪密鑰，它們之間通過AES加密算法通信，提高安全性。但是AES加密算法的初始輪密鑰不具有隨機性，容易破解。
初始輪密鑰由ZigBee協調器產生，每隔10分鐘，或重啟后輪密鑰都重新設置，由Logistic、PWLCM混沌映射交叉擴散生成，為了保證密鑰的隨機性，Logistic混沌映射、PWLCM混沌映射先分別迭代若干次。ZigBee協調器產生輪密鑰后，將其通過MD5函數生數字簽名，并將輪密鑰及其數字簽名發送給其它所有Zigbee節點，ZigBee節點接收后，進行數字簽名驗證，驗證無誤后，再將輪密鑰作為初始輪密鑰進行AES加密或解密。
2實驗與分析
針對前面所述MQTT客戶端和服務器、ZigBee節點的安全通信方法，本節進行了實驗。
2.1MQTT客戶端和服務器的通信方法實驗按1.2.2所述構建通信平臺，將路由器部署為MQTT服務器，建立ZeroTier網絡，使外網的MQTT客戶端以P2P方式和MQTT服務器同在一個局域網中，然后通過mosquitto的SSL產生公鑰和證書，進行安全通信。
3結論
針對智能家居目前的安全問題，本文設計了一種新的智能家居組網結構，采用WiFi和ZigBee技術通信，將路由器部署為MQTT服務器，路由器上配置安全方案，實現MQTT客戶端和服務器安全通信，既節約了成本又提高了安全性。同時家居設備通過ZigBee技術進行通信，為了提高安全性，基于Logistic混沌系統和PWLCM混沌系統進行交叉擴散，產生AES初始輪密鑰，來提升AES算法的安全性，經過實驗分析，相對標準AES算法，改進的加密算法運行時間較短，能耗和通信延遲小，具有應用性。
參考文獻
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作者：王海珍1廉佐政1谷文成2
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