基于Android系統(tǒng)及混合加密的藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制研究

馮益斌

摘 要： 近年來(lái)搭載Android系統(tǒng)的智能可穿戴設(shè)備發(fā)展迅速，藍(lán)牙通信技術(shù)廣泛地應(yīng)用在智能可穿戴設(shè)備中，使其能與手機(jī)之間相互通信，實(shí)現(xiàn)圖片、視頻、文件等數(shù)據(jù)傳送功能。研究基于Android系統(tǒng)的藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制功能，通過(guò)建立的藍(lán)牙連接，實(shí)現(xiàn)智能手表與手機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送，為了保障數(shù)據(jù)的安全性，對(duì)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行了混合加密。應(yīng)用程序運(yùn)行在搭載Android系統(tǒng)的GEAR智能手表和手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)GEAR手表實(shí)時(shí)預(yù)覽手機(jī)攝像頭采集到的圖像，并且遠(yuǎn)程控制手機(jī)拍攝照片的功能。

關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程控制； 藍(lán)牙； Android； 混合加密

中圖分類號(hào)： TN92?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）05?0089?04

0 引 言

基于藍(lán)牙的遠(yuǎn)程控制功能能夠使智能可穿戴設(shè)備更好地與手機(jī)相互配合起來(lái)。本文實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程控制功能應(yīng)用于搭載Android系統(tǒng)的三星Gear智能手表與手機(jī)之間，通過(guò)發(fā)送自定義的藍(lán)牙數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制信息和數(shù)據(jù)信息的區(qū)分，能夠識(shí)別控制信息的類型，應(yīng)用于Gear手表與手機(jī)之間，通過(guò)相互連接之后，Gear手表能夠?qū)崟r(shí)預(yù)覽手機(jī)攝像頭獲取的數(shù)據(jù)，并且能夠控制手機(jī)進(jìn)行拍照。

然而考慮到安全性問(wèn)題，藍(lán)牙數(shù)據(jù)在傳送的過(guò)程中容易被竊取[1]，這將對(duì)用戶的隱私造成極大的威脅。因此，對(duì)藍(lán)牙數(shù)據(jù)進(jìn)行加密也是尤為重要的。通過(guò)對(duì)加密算法的分析與研究，本文采用了混合加密算法。對(duì)于智能可穿戴設(shè)備這一類運(yùn)算能力不是很強(qiáng)的設(shè)備，加密速度尤為重要，RC4加密算法在流加密上的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足應(yīng)用的需求，然而其安全性并不是最好，通過(guò)截獲的數(shù)據(jù)容易分析出加密的秘鑰。因此采用RSA非對(duì)稱加密算法對(duì)RC4秘鑰進(jìn)行再一次的加密，由于秘鑰信息比較短，加密算法的復(fù)雜度對(duì)加密速度的影響比較小，采用RSA安全度高的算法來(lái)保證RC4秘鑰信息不被直接讀取到更加重要[2]。

1 功能模塊劃分

Android應(yīng)用程序由四大基本組件Activity，Service 服務(wù)，Content Provider內(nèi)容提供者和BroadcastReceiver 廣播接收器組成。四大組件通過(guò)相互之間的配合、數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的功能，完成了用戶與系統(tǒng)之間的交互，滿足了用戶的實(shí)際需求[3]。

基于藍(lán)牙的遠(yuǎn)程控制功能研究是為了使搭載Android系統(tǒng)的智能可穿戴設(shè)備與手機(jī)之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。本研究要求創(chuàng)建Android應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)智能手表遠(yuǎn)程控制手機(jī)拍攝照片的功能。深入分析了基于藍(lán)牙的遠(yuǎn)程控制功能的主要內(nèi)容，將研究的內(nèi)容劃分為以下3大模塊[4]：

（1） 藍(lán)牙通信模塊：通過(guò)對(duì)Android系統(tǒng)藍(lán)牙模塊的分析，調(diào)用AndroidSDK中的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議來(lái)建立數(shù)據(jù)的連接，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的功能[5]。

（2） 遠(yuǎn)程控制模塊：此模塊通過(guò)定義的數(shù)據(jù)包頭來(lái)區(qū)分發(fā)送數(shù)據(jù)的類型是數(shù)據(jù)信息還是控制信息，使得Android設(shè)備之間可以通過(guò)傳送數(shù)據(jù)信息和控制信息兩種信息類型，從而實(shí)現(xiàn)了基于藍(lán)牙的遠(yuǎn)程控制功能。

（3） 數(shù)據(jù)加密模塊：此模塊實(shí)現(xiàn)了RC4加密算法與RSA加密算法相結(jié)合的混合加密算法，應(yīng)用于基于藍(lán)牙的遠(yuǎn)程控制功能，保護(hù)了數(shù)據(jù)傳送的安全性。在3大模塊的基礎(chǔ)上，最終設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)運(yùn)行在Android系統(tǒng)上的應(yīng)用程序。應(yīng)用程序運(yùn)行在GEAR手表和Android手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了手表與手機(jī)之間藍(lán)牙連接的建立，完成了通過(guò)遠(yuǎn)程控制來(lái)拍攝照片的功能。

2 藍(lán)牙通信模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 藍(lán)牙協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸

完整的藍(lán)牙協(xié)議棧根據(jù)各協(xié)議所處的位置可分三大類，分別是底層協(xié)議、中間層協(xié)議和高層協(xié)議。

藍(lán)牙底層協(xié)議實(shí)現(xiàn)了傳輸鏈路的建立，用于傳送藍(lán)牙信息數(shù)據(jù)流，是藍(lán)牙協(xié)議體系的基礎(chǔ)。藍(lán)牙底層協(xié)議包括藍(lán)牙射頻協(xié)議（RadioFrequencyProtocol）、鏈路管理協(xié)議（LinkManagerProtocol，LMP）、藍(lán)牙基帶協(xié)議（BaseBandProtocol）和主機(jī)控制器接口協(xié)議（HostControllerInterfaceProtocol，HCI）。藍(lán)牙射頻協(xié)議決定了藍(lán)牙通信的技術(shù)特點(diǎn)，使藍(lán)牙工作在免許可的2.4 GHz ISM頻段。藍(lán)牙基帶協(xié)議在藍(lán)牙協(xié)議棧中位于藍(lán)牙射頻層之上，是設(shè)備之間通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議通信的關(guān)鍵程序，定義了微微網(wǎng)的創(chuàng)建過(guò)程以及如何通過(guò)藍(lán)牙相連接。

藍(lán)牙中間層協(xié)議的主要功能是數(shù)據(jù)幀的分解與重組、組提取、服務(wù)質(zhì)量控制等。中間層協(xié)議為上層應(yīng)用程序提供服務(wù)，提供底層協(xié)議的接口。

藍(lán)牙高層協(xié)議包括對(duì)象交換協(xié)議（ObjectExchangeProtocol，OBEX）和無(wú)線應(yīng)用協(xié)議（WirelessApplicationProtocol，WAP）。對(duì)象交換協(xié)議屬于會(huì)話層協(xié)議，由紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)制定，主要用于紅外數(shù)據(jù)鏈路中數(shù)據(jù)對(duì)象的交換。使得基于紅外鏈路的應(yīng)用程序能夠方便地移植到藍(lán)牙協(xié)議上。

2.2 藍(lán)牙功能接口概述

通過(guò)調(diào)用藍(lán)牙協(xié)議棧接口，編寫(xiě)應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信功能，使得應(yīng)用程序能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的搜索、請(qǐng)求藍(lán)牙配對(duì)、建立RFCOMM通道、與其他設(shè)備相連接的功能。調(diào)用AndroidSDK提供的應(yīng)用編程接口，可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信的基本功能，功能主要分為以下6大類：搜索藍(lán)牙設(shè)備；查詢本地藍(lán)牙適配器配對(duì)的藍(lán)牙設(shè)備；建立RFCOMM通道；通過(guò)服務(wù)發(fā)現(xiàn)并連接到其他設(shè)備；與其他設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)；管理多個(gè)連接[6]。

2.3 藍(lán)牙通信模塊的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)藍(lán)牙協(xié)議棧的分析，掌握了藍(lán)牙協(xié)議棧中各協(xié)議的主要功能，掌握了數(shù)據(jù)在藍(lán)牙通信過(guò)程中的傳送過(guò)程以及設(shè)備之間建立藍(lán)牙連接的完整步驟。通過(guò)對(duì)Android系統(tǒng)SDK提供的藍(lán)牙協(xié)議棧接口的學(xué)習(xí)，掌握了基于Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)藍(lán)牙通信模塊的基本步驟和實(shí)現(xiàn)方法。Android系統(tǒng)中藍(lán)牙通信模塊的實(shí)現(xiàn)主要包括4大部分：本機(jī)藍(lán)牙模塊的配置、藍(lán)牙設(shè)備的搜索、藍(lán)牙設(shè)備連接的建立和藍(lán)牙設(shè)備通信的實(shí)現(xiàn)。

2.3.1 本機(jī)藍(lán)牙模塊的配置

AndroidSDK提供了一個(gè)核心類BluetoothAdapter，通過(guò)創(chuàng)建BluetoothAdapter實(shí)例對(duì)象來(lái)配置本機(jī)藍(lán)牙模塊的相關(guān)屬性，在程序中的實(shí)現(xiàn)如下：

//實(shí)例化系統(tǒng) BluetoothAdapter 對(duì)象

BluetoothAdapter mAdapter = Bluetooth Adapter. get DefaultAdapter（）；

//直接打開(kāi)系統(tǒng)的藍(lán)牙設(shè)置面板

Intent intent = new Intent （BluetoothAdapter.ACTION _REQUEST_ENABLE）；

startActivityForResult（intent， 0x1）；

2.3.2 藍(lán)牙設(shè)備的搜索

配置了本地的藍(lán)牙屬性，開(kāi)啟藍(lán)牙功能之后，接下來(lái)調(diào)用 BluetoothAdapter. startDiscovery（）實(shí)現(xiàn)搜索附近設(shè)備功能。

startDiscovery（）方法是一個(gè)異步方法，調(diào)用后會(huì)立即返回。該方法對(duì)附近可見(jiàn)的藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行搜索，該過(guò)程會(huì)持續(xù)12 s。當(dāng)該方法被調(diào)用后，搜索過(guò)程在一個(gè) System Service中完成，當(dāng)搜索到需要連接的藍(lán)牙設(shè)備可以通過(guò)調(diào)用cancelDiscovery（）方法來(lái)停止搜索。調(diào)用startDiscovery（）方法后，系統(tǒng)開(kāi)始搜索藍(lán)牙設(shè)備，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)送以下3個(gè)廣播命令：

ACTION_DISCOVERY_START表示開(kāi)始搜索；ACTION_DISCOVERY_FINISHED表示搜索結(jié)束；ACTION_FOUND表示找到設(shè)備。應(yīng)用程序?qū)⑺阉鞯降乃{(lán)牙設(shè)備以列表的形式展示給用戶，供用戶選擇。

2.3.3 藍(lán)牙設(shè)備連接的建立

藍(lán)牙設(shè)備連接的建立，是以服務(wù)器端與客戶端的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備在同一個(gè)RFCOMMchannel下分別獲得一個(gè)連接的BluetoothSocket，便可建立藍(lán)牙設(shè)備的通信連接。客戶端向?qū)嵗膁evice發(fā)出建立連接的請(qǐng)求，即通過(guò)createRfcommSocketTo ServiceRecord（）方法來(lái)請(qǐng)求建立一個(gè)連接，當(dāng)連接創(chuàng)建成功后，返回一個(gè)BluetoothSocket類型數(shù)據(jù)：

BluetoothSocket mSocket = device. createRfcommSocketTo ServiceRecord（MY_UUID_SECURE）；

服務(wù)器端通過(guò)UUID創(chuàng)建BluetoothServerSocket來(lái)接收來(lái)自其他設(shè)備的連接請(qǐng)求：

BluetoothServerSocket mServerSocket=mAdapter.listen UsingWithServiceRecord（NAME_SECURE， UUIDE）；

當(dāng)接收到藍(lán)牙設(shè)備的連接請(qǐng)求時(shí)，調(diào)用mServerSocket的accept（）方法，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端BluetoothSocket的初始化。

2.3.4 藍(lán)牙設(shè)備通信的實(shí)現(xiàn)

已經(jīng)建立了藍(lán)牙連接的Android設(shè)備通過(guò)調(diào)用BluetoothSocket的getInputStream（）方法來(lái)獲得輸入流，調(diào)用getOutputStream（）方法獲得輸出流。輸入流用于接收已連接的藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，從輸入流中讀取數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。輸出流用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)到已連接的藍(lán)牙設(shè)備上，向輸出流寫(xiě)數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過(guò)程如圖1所示。

3 遠(yuǎn)程控制模塊的研究與實(shí)現(xiàn)

3.1 遠(yuǎn)程控制功能研究

Android系統(tǒng)中，藍(lán)牙協(xié)議棧在AndroidSDK中實(shí)現(xiàn)，藍(lán)牙數(shù)據(jù)底層解析的過(guò)程是應(yīng)用程序不可見(jiàn)的。對(duì)于兩個(gè)通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議連接的智能設(shè)備，運(yùn)行在手表端和手機(jī)端的應(yīng)用程序，僅能夠?qū)斎肓骱洼敵隽鬟M(jìn)行操作，向輸出流寫(xiě)數(shù)據(jù)便能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，從輸入流中讀數(shù)據(jù)便能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

通過(guò)分析設(shè)定包頭的大小為1 B，包頭的數(shù)值范圍為0～255，最多能夠表示256種不同的數(shù)據(jù)類型，此應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)類型有兩種，即數(shù)據(jù)信息和控制信息，因此可以選取0和1分別表示。其余的數(shù)值表示，可用于程序的擴(kuò)展，當(dāng)所要區(qū)分的數(shù)據(jù)類型增多后，可使用保留的數(shù)值來(lái)表示。對(duì)于本應(yīng)用程序用數(shù)值0來(lái)表示普通數(shù)據(jù)信息，數(shù)值1表示控制信息。

確定了數(shù)據(jù)包頭的數(shù)據(jù)大小，以及各數(shù)據(jù)類型的表示后，定義一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，管理發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

class SendData

{ //定義字節(jié)類型的control包頭 public byte control；

//數(shù)據(jù)部分為字節(jié)數(shù)組 public byte[]； data； }

3.3 遠(yuǎn)程控制功能實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序?qū)⒒贏ndroid的遠(yuǎn)程控制功能應(yīng)用于手機(jī)與智能手表之間，實(shí)現(xiàn)手表控制手機(jī)拍攝照片。在Android應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能，首先要對(duì)包頭信息進(jìn)行定義。根據(jù)遠(yuǎn)程控制功能的分析以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義可知此應(yīng)用程序中發(fā)送信息分為兩類，一類發(fā)送的是圖像的數(shù)據(jù)信息，在Android程序中定義靜態(tài)變量：

Private static final byte DATA=（byte）0；

發(fā)送圖像信息時(shí)，用來(lái)對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的包頭進(jìn)行賦值，標(biāo)明發(fā)送的數(shù)據(jù)圖像信息。另一類是拍攝照片的控制信息，在Android程序中定義靜態(tài)變量：

Private static final byte TAKE_PHOTO=（byte）1；

發(fā)送拍攝照片的控制信息時(shí)，對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的包頭進(jìn)行賦值，標(biāo)明發(fā)送的數(shù)據(jù)為拍攝照片控制指令。

應(yīng)用程序中，已經(jīng)建立藍(lán)牙連接的兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，一個(gè)充當(dāng)主控端，另一個(gè)充當(dāng)被控端。被控端發(fā)送的數(shù)據(jù)為攝像頭采集到的圖像信息。

4 數(shù)據(jù)加密解密模塊研究與實(shí)現(xiàn)

4.1 加密解密算法的選擇

本功能模塊采用了混合加密的加密算法，通過(guò)RC4對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次加密，由于RC4加密算法相對(duì)簡(jiǎn)單，安全性上存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)，而且在傳輸過(guò)程中要傳輸加密數(shù)據(jù)的秘鑰，這將極大地威脅到通信的安全。為了把這種風(fēng)險(xiǎn)降低，采用RSA加密算法進(jìn)行第二次加密，第二次加密的數(shù)據(jù)僅僅是第一次加密算法RC4的秘鑰信息。整個(gè)的加密過(guò)程如圖2所示。

4.2 RC4算法實(shí)現(xiàn)

Android應(yīng)用程序編寫(xiě)使用的是Java語(yǔ)言的軟件開(kāi)發(fā)工具包，即JDK。JDK中提供了對(duì)于加密算法的支持，因此在本應(yīng)用中可以直接調(diào)用JDK提供的RC4加密算法的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的加密解密過(guò)程。首先生成秘鑰程序?yàn)椋?/p>

public static Key getKey（）

{ Key key = null；

KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance（"RC4"）；

kg.init（128）； //產(chǎn)生秘鑰

key = kg.generateKey（）； return key； }

首先通過(guò)KeyGenerator定義秘鑰產(chǎn)生變量kg，通過(guò)getInstance方法構(gòu)造出RC4加密算法的秘鑰產(chǎn)生器。然后初始化秘鑰的大小，init（intkeysize）方法中參數(shù)的數(shù)值指定了秘鑰的長(zhǎng)度。

圖2 加密過(guò)程

4.3 混合加密算法實(shí)現(xiàn)

在程序中，通過(guò)返回字節(jié)數(shù)組的length數(shù)值得到數(shù)據(jù)信息的長(zhǎng)度，長(zhǎng)度信息為int類型的數(shù)值。int類型數(shù)據(jù)占用4 B空間，int轉(zhuǎn)換byte類型的函數(shù)為：

public static byte[] intToBytes（int n）

{ byte[] b = new byte[4]；

for（int i = 0；i < 4；i++）

{ b[i] = （byte）（n >> （24- i * 8））； } return b； }

程序中RC4與RSA混合加密過(guò)程的主要程序：

public synchronized void write（byte[] buffer）

{??

byte[] encr= RC4.encrypt（buffer，key_send）；

byte[] encodedData=RSAUtils.encryptByPublic Key（key_ send， publicKey）；

int sum = intToBytes（encr.length）；

byte[] send=new byte[4+encodedData.length+encr.length]；

System.arraycopy（sum， 0， send， 0， 4）；

System.arraycopy（encodedData， 0， send， 4， 128）；

System.arraycopy（encr， 0， send， 132， encr.length）；

?? }

首先使用RC4加密算法來(lái)加密數(shù)據(jù)buffer，秘鑰為key_send。然后使用RSA加密算法加密RC4的秘鑰信息key_send。接著，計(jì)算出buffer經(jīng)過(guò)RC4加密后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。將上述的三部分信息按著定義的結(jié)構(gòu)依次寫(xiě)入欲發(fā)送的字節(jié)數(shù)組send中。最后，將字節(jié)數(shù)組send寫(xiě)入到通過(guò)BluetoothSocket獲得的輸出流中，即可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的發(fā)送。

5 藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制拍照實(shí)現(xiàn)

藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制的相機(jī)拍照程序是基于Android系統(tǒng)的藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制研究的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用程序。通過(guò)藍(lán)牙通信模塊的實(shí)現(xiàn)、遠(yuǎn)程控制功能模塊的實(shí)現(xiàn)、混合加密算法的實(shí)現(xiàn)，將三部分結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制照片的拍攝上，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)GEAR手表來(lái)控制手機(jī)進(jìn)行照片的拍攝。

6 結(jié) 論

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外基于藍(lán)牙的遠(yuǎn)程通信研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)比多種對(duì)稱加密算法和非對(duì)稱加密算法的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，最后選擇通過(guò)混合加密算法對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。本文完成了藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制功能的研究，采用混合加密的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密解密。將藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制功能的研究應(yīng)用在拍照程序上，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)智能手表遠(yuǎn)程控制手機(jī)拍攝照片的功能。

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