遠程監(jiān)控系統(tǒng)臺站端與服務(wù)端加密通信的設(shè)計方案

李敏盛 鐘堅 梁磊

（1.廣西廣播電視無線傳播樞紐臺;2廣西廣電網(wǎng)絡(luò)股份有限公司崇左分公司）

1 引言

隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，廣播電視遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊也將逐漸從現(xiàn)有的2M私有SDH光纖網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到帶寬資源更充裕的IP數(shù)據(jù)承載網(wǎng)中，但該承載網(wǎng)也有其他單位和企業(yè)在使用，本單位的監(jiān)控數(shù)據(jù)有可能在中途被截獲、泄露，甚至被篡改，將有可能會影響廣播電視的安全播出，還有可能帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。為解決這個信息安全問題，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)平臺Android Things實現(xiàn)臺站端與服務(wù)端加密通信傳輸?shù)脑O(shè)計方案。

2 術(shù)語解釋

2.1 對稱加密

對稱加密采用同一個密鑰對數(shù)據(jù)進行加解密，也稱單密鑰加密，優(yōu)點是加解密速度快、效率高；缺點是在傳送數(shù)據(jù)前，加密方和解密方得商定好密鑰，如果某一方的密鑰被泄露，那么加密的數(shù)據(jù)就不安全了。

2.2 非對稱加密

非對稱加密算法是生成兩個鑰匙（公鑰和私鑰），使用公鑰對數(shù)據(jù)進行加密，使用私鑰進行解密。例如設(shè)備A要向設(shè)備B發(fā)送隱秘數(shù)據(jù)，且只能是設(shè)備B才能解讀，這時設(shè)備B先生成一對密鑰，將公鑰發(fā)給A，設(shè)備A使用公鑰對明文數(shù)據(jù)加密，再將加密后的數(shù)據(jù)傳送給B，設(shè)備B將收到的信息使用私鑰進行解密，即使A發(fā)送的消息中途被截獲，因沒有私鑰進行解密，數(shù)據(jù)就無法解讀。優(yōu)點是安全性相對于對稱加密更好，缺點是加密和解密需要的時間久、速度慢。

2.3 AES加密算法

AES全稱為高級加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard），是對稱加密的一種。

2.4 RSA加密算法

RSA是非對稱加密算法，算法可靠性來源于歐拉定理，對極大整數(shù)做因數(shù)分解，只要其密鑰的長度足夠長，加密的數(shù)據(jù)幾乎是不可能被解破的。

2.5 Android Things

圖1

Android Things是基于Android，主要運用于物聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)備的操作系統(tǒng)，使用Weave協(xié)議與外部的傳感器/設(shè)備進行對話。Android Things已經(jīng)支持Raspberry Pi 3 、 Intel Edison、NXP Pico 等硬件平臺，還可以基于TensorFlow（谷歌第二代人工智能系統(tǒng)）進行機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)。

3 方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本方案的設(shè)計思路是在原系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，改變了終端設(shè)備直連到交換機的方式，在設(shè)備與交換機之間增加一個基于Android Things操作系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備（下文中都稱其為系統(tǒng)控制控器），它的功能是：（1）實現(xiàn)客戶端與服務(wù)端相互加密數(shù)據(jù)傳輸；（2）終端設(shè)備被系統(tǒng)控制器隔離開，就算有人遠程惡意攻入網(wǎng)絡(luò)，沒有密鑰解密，也無法對終端設(shè)備進行控制、更改等操作，提高了網(wǎng)絡(luò)信息安全性。圖1為系統(tǒng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

3.2 加密和解密的具體實現(xiàn)方式

RSA算法的安全性能很高，但加密和解密速度比較慢，適合短內(nèi)容的加解密。而AES加密和解密的速度比較快，適合長內(nèi)容的加解密，但其密鑰不易保存和傳輸，安全性能相對較差。了解這兩種加密算法的優(yōu)缺點后，本方案揚長避短，先使用AES加密長度較長的正文內(nèi)容，再用RSA的公鑰對長度較短的AES密鑰進行加密。當(dāng)另端收到加密的數(shù)據(jù)后，先使用RSA的私鑰解密出AES密鑰，然后用AES密鑰解密出正文內(nèi)容。這種混合的加解密方式既保證了效率又保證了安全性。

3.3 系統(tǒng)控制器與服務(wù)端相互通信流程

（1）系統(tǒng)控制器啟動時或者每隔一段時間，都會自動生成新的RSA密鑰，然后主動將該公鑰發(fā)送給服務(wù)端，并向服務(wù)端請求服務(wù)端的RSA公鑰；服務(wù)端啟動時或每隔一段時間，也會生成一個新的RSA密鑰，并將該公鑰分發(fā)給所有在線客戶端。流程看圖2。

圖2

（2）系統(tǒng)控制器會定時詢問終端設(shè)備的狀態(tài)信息，并將狀態(tài)信息主動上報給服務(wù)端。上報過程的加解密流程如下：①.生成一個新的AES密鑰，使用AES算法對狀態(tài)信息加密；②.使用服務(wù)端的RSA公鑰對AES密鑰加密；③.將已加密數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)端；④.服務(wù)端收到加密數(shù)據(jù)后，使用本端的RSA私鑰解密出AES密鑰；⑤.再用AES密鑰解密出狀態(tài)信息。流程看圖3。

（3）服務(wù)端下發(fā)控制指令給系統(tǒng)控制器的加解密流程如下：①.生成一個新的AES密鑰，使用該密鑰加密控制指令;②.使用系統(tǒng)控制器端的RSA公鑰對AES密鑰進行加密；③.將加密數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)控制器；④.系統(tǒng)控制器收到加密數(shù)據(jù)后，使用本端的RSA私鑰解密出AES密鑰；⑤.使用AES密鑰解密出控制指令并下發(fā)給終端設(shè)備；⑥.終端設(shè)備將執(zhí)行結(jié)果返回給系統(tǒng)控制器，再按照上面所述的上報過程的加解密流程，將執(zhí)行結(jié)果返回服務(wù)端。流程看圖4。

3.4 設(shè)計的難點

3.4.1 傳輸數(shù)據(jù)的長度

圖3

假如使用密鑰長度為1024位的RSA進行加密，密文長度最大值是128字節(jié)。使用128位AES算法對內(nèi)容信息加密，密文長度是隨明文長度大小變化而改變。但是對TCP和UDP傳輸協(xié)議來說，TCP的MTU默認(rèn)是1460字節(jié)，UDP的MTU默認(rèn)是1472字節(jié)，當(dāng)一個數(shù)據(jù)包的長度超過這兩個長度時，數(shù)據(jù)包就會被自動拆分，所以在軟件設(shè)計時有兩個方案選擇：（1）確保加密后的數(shù)據(jù)不超過上面兩個數(shù)，（2）在進行TCP或UDP數(shù)據(jù)接收時，判斷當(dāng)前長度是否為零，如果不為零繼續(xù)接收，直到收到上報端口的數(shù)據(jù)長度為零時，才將收到的幾個包進行合并，然后再進行解密。

3.4.2 系統(tǒng)控制器參數(shù)配置

Android Things 操作系統(tǒng)沒有像Windows系統(tǒng)一樣有直接的操作界面，為了配置系統(tǒng)控制器程序的內(nèi)置參數(shù)，必須為其開發(fā)可以通過網(wǎng)口進行配置的程序，本方案計劃使用WEB頁面方式對其進行配置。

3.5 系統(tǒng)控制器的拓展

Android Things支持USB、藍牙、有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò) ，并提供了一個萬能的通道，支持 I2C、SPI 和 UART 的數(shù)據(jù)傳輸，這三種串行接口，可以直接外接各種傳感設(shè)備。比如調(diào)用臺站門口攝像頭，將靠近門口的人像抓拍下來后，使用Tensorflow深度學(xué)習(xí)來識別是工作人員還是陌生人，如果是工作人員將語音提示歡迎話語，如果是陌生人將語音提示一些提醒話語。

4 小結(jié)

本方案主要通過基于Andriod Things 操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，來實現(xiàn)客戶端與服務(wù)端之間數(shù)據(jù)加密傳輸，提高遠程監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，也為以后實現(xiàn)站內(nèi)人工智能自動化，實現(xiàn)免維護臺站打下一個基礎(chǔ)，因此，有較好的應(yīng)用推廣價值。

[1]陳魯生,沈世鎰.現(xiàn)代密碼學(xué)（第二版）[M].科學(xué)出版社.2008-08