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CN106209356A - 用于物联网远程控制的保密控制方法及系统 - Google Patents

用于物联网远程控制的保密控制方法及系统 Download PDF

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CN106209356A CN201610529041.9A CN201610529041A CN106209356A CN 106209356 A CN106209356 A CN 106209356A CN 201610529041 A CN201610529041 A CN 201610529041A CN 106209356 A CN106209356 A CN 106209356A
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庞晓玲
乔璐枫
孙轲
刘煜
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Abstract

一种用于物联网远程控制的保密控制方法及系统，以密钥序列在存储器中的不同存储位置作为明钥，在每次对指令加密操作后进行同步更新，并作为密文指令的一部分；当接收端进行解密时，首先读取密文指令中的明钥得到密钥的存储位置，然后读取密钥并对密文指令进行解密。本发明通过利用量子真随机数，即可靠的真随机数密钥源，结合一次一密加密算法，可以实现基于上述系统开发的远程安全控制，在物联网远程无线通信设备之间实现绝对安全的保密控制。

Description

用于物联网远程控制的保密控制方法及系统
技术领域
本发明涉及的是一种物联网设备间无线加密控制的技术，具体是一种基于量子随机数，同时结合一次一密加密算法的远程安全控制系统及方法。
背景技术
远程控制技术在控制领域中的重要组成部分，一般分为有线远程控制和无线远程控制。物联网设备之间采用的无线方式发送控制相比于传统的有线方式具有更大的被窃听甚至篡改的危险，然而很多控制系统中都还主要是通过使用无加密处理的明文指令。过去的一百年内密码学发展迅速，现代密码学主要分为两类：一类是对称密码系统，另一类是非对称密码系统。常用的非对称密码算法有RSA、Merkler‐Hellman、ELGamal、Rabin等。常用的对称密码系统有DES、AES、RC5等。一次一密乱码本属于对称密码体系，是一种理想的加密方案，理论上讲，使用一次一密算法加密的系统是不可破译的。一次一密加密算法主要应用于高度机密的低带宽信道，很早就被军方和政府用于保密最高机密文件。一次一密算法要求密钥为真随机数，而传统上常常利用计算机根据特定算法产生伪随机数，伪随机数经过足够长的时间后会产生序列重复，这一点限制了一次一密在民用和商用等方面更广泛的应用。如今随着现代量子技术的发展，我们可以利用量子力学的不确定性原理来获取量子真随机数，因此日渐商品化的量子真随机数发生器使得一次一密算法有了更大的应用前景。
发明内容
本发明针对现有的量子随机加密技术无法应用于物联网，且动作与指令的同步性难以满足要求等缺陷，提出一种用于物联网远程控制的保密控制方法及系统，以硬件方式存储及管理密钥，通过利用量子真随机数，即可靠的真随机数密钥源，结合一次一密加密算法，可以实现基于上述系统开发的远程安全控制，在物联网远程无线通信设备之间实现绝对安全的保密控制。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于物联网远程控制的保密控制方法，以量子随机数密钥序列在加密端存储器中的不同存储位置作为明钥，在每次对明文指令一次一密加密操作后对明钥进行同步更新，并作为密文指令的一部分；当解密端进行解密时，首先读取解密端存储器中对应密文指令中的明钥得到密钥的存储位置，然后读取密钥并对密文指令进行一次一密解密。
所述的密文指令包括但不限于：指令来源标志、指令长度、功能标志位、数据位、校验值、密钥地址、偏移地址。
所述的密文指令中存有密钥的使用情况信息，优选在末尾部分存储了密钥的使用情况信息，该信息与密钥存储单元相结合才有意义，实际并不包含真正的密钥，因此不影响系统整体的安全性。
所述的一次一密是指：通过量子随机数产生器(采用但不限于Quantis USB以4Mps的速度)生成的随机比特流数据，其中的每位密钥数据仅被加密使用一次，加密后的密钥数据位以后不再加密且需要定时更新，以保证密钥序列的安全性。
所述的同步更新是指用量子随机数发生器重新生成密钥，优选将其分别写入发送以及解密端的密钥存储模块中。
所述的存储器设置于加密端和解密端且均保存有完全相同的密钥，分别用于加密和解密。
所述的加密、解密操作通过将明文与密文按一次一密位的字节流方式异或操作完成。
所述的同步更新是指：将加密端加密指令所用的密钥存储地址作为明钥存放于指令结尾部分，解密端接收到指令后首先根据明钥内容读取出对应密钥，得到正确密钥后对指令进行解密。每次发送、接收完毕需要更新密钥地址，即指记录每次使用过的密钥部分和待加密指令的长度，自动生成更新后的密钥读取位置，即得到下一次加密所需的密钥的存放地址，根据此地址读取密钥，并进行对指令进行加密操作。
本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：密钥生成模块、密钥管理模块、加密发送模块以及接收解密模块，其中：密钥生成模块与密钥管理模块相连并传输密钥信息，密钥管理模块与加密发送模块相连进行一次一密加密操作，密钥管理模块与接收解密模块相连进行一次一密解密操作，密文发送模块与密文接收模块相连并传输密文指令。
所述的密钥管理模块包括：嵌入式控制单元和密钥存储单元，其中：嵌入式控制单元与密钥存储单元相连并传输密钥信息。
所述的加密发送模块包括：一次一密加密单元、同步地址管理单元以及无线发射单元，其中：一次一密加密单元与同步地址管理单元相连并传输密钥信息，一次一密加密单元单元与无线发射单元相连并发送密文指令。
所述的接收解密模块包括：一次一密解密单元、同步地址管理单元以及无线接收单元，其中：一次一密解密单元与同步地址管理单元相连并传输密钥信息，一次一密解密单元单元与无线接收单元相连并接收解密密文指令。
本发明涉及上述系统的远程安全控制方法，包括以下步骤：
步骤1：在双方进行保密通信之前，首先对加密发送模块以及接收解密模块补充(或更新)密钥，即将量子随机数生成器产生的二进制随机比特流写入通信双方的同步地址管理单元中。
此步骤的执行周期根据密钥存储单元的存储容量大小以及指令发送次数的实际情况进行调整，可以一个月甚至更长时间更新一次密钥。
步骤2：当无线发射单元需要发射指令给无线接收单元时，由嵌入式控制单元控制首先根据密钥首地址从密钥存储单元中读取与明文等长度的密钥数据，然后由一次一密加密单元将其与准备发送的明文指令进行异或操作，即一次一密加密。最后无线发射单元将密文指令发送出去，同时更新密钥地址，去除掉本次操作已经使用的密钥部分。
步骤3：当接收解密模块接收到加密发送模块发送来的加密指令时，一次一密解密单元首先读取指令末尾字节得到解密密钥存放地址，根据该地址从同步地址管理单元中读取相应的解密密钥，得到密钥后将密文指令与密钥进行异或解密，即一次一密的解密，得到明文指令，最终可以执行指令对应的操作。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过将真随机数产生器与通信设备分离，设计了密钥存储、管理单元以及通信协议，实现控制端和远程执行端加密、解密的同步；其次，为了确保密钥的绝对安全，本发明以硬件的方式设计了密钥存储及更新单元，避免了密钥泄漏；最后，本发明采用一次一密加密算法保证了密文指令理论上的完全不可破译。因此，该远程控制方案是绝对安全的。
附图说明
图1为实施例1中物联网设备加密控制系统结构图；
图2为实施例1中遥控发送端指令结构图(以无人机控制指令为例)；
图3为实施例1中接收端指令结构图(以无人机控制指令为例)；
图4为截获的明文及密文数据波形。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种应用于无人机系统的保密控制系统，包括：量子随机生成模块、密钥管理模块、无人机指令执行接收端以及无人机指令发送端，其中：量子随机数发生模块与密钥管理模块相连并传输密钥信息，密钥管理模块与无人机指令发送端相连并进行一次一密加密，密钥管理模块与无人机指令接收端相连并进行一次一密解密，无人机指令发送端与无人机指令执行接收端无线连接并传输密文指令。
本实施例涉及上述系统的安全控制方法，包括以下步骤：
步骤1.密钥的补充与更新：检测无人机指令执行接收端与无人机指令发送端的密钥存储模块中是否保留有足够的随机数密钥信息，当没有足够密钥或需要重新更新密钥时，通过量子随机生成模块生成随机数密钥数据，保存在外部存储设备如SD卡中，通过密钥管理模块的密钥补充电路，将一份密钥文件先后写入到发送和接收端的Flash外部存储芯片中，以此保证加密、解密端芯片中的随机数相同。当Flash外部存储芯片中已有足够的密钥，则跳过步骤1直接进行步骤2；
步骤2.信息的加密与发送：无人机指令发送端设备启动后，接着上一次保存的当前密钥地址(若首次使用，则从初始地址0x000000)开始，从密钥管理模块的Flash存储芯片中读取固定M个密钥，保存在缓存区，分成N组，使得每组的密钥长度大于等于明文指令的长度。取第1组密钥字节与指令字节，按位进行异或得到密文。将密钥的开始位置和组别附加到密文指令的末尾部分，指令结构如图2，图2中的a[27]‐a[29]为密钥开始位置，a[30]‐a[31]为组别。最后通过无人机指令发送端的无线发射单元将加密后的密文指令发送出去。同时，若无人机指令发送端的一次一密加密单元启动读取密钥时产生了误码，导致无法正确加密或解密，一次一密加密单元将自动重新进行重读密钥以及重新加密、发送。
步骤3.信息的接收与解密：当无人机指令执行接收端的无线接收单元接收到遥控指令时，首先读取指令末尾的密钥存储地址，根据地址取出相应密钥字节，在一次一密解密单元控制下与明文指令字节按位进行异或得到明文，最后识别出明文指令的含义，执行相应的任务，发送收到应答信号，指令结果如图3。同时，若无人机指令执行接收端读取密钥时产生了误码，导致无法正确加密或解密，一次一密解密单元将自动重新进行重读密钥以及重新解密。
所述的随机数密钥数据在每次加密指令时，根据所需加密指令的长度消耗相同长度的密钥。具体实现方案为：将每次加密的指令长度进行累加，该信息决定下次所使用密钥的起始位置，从而实现已经被使用过的密钥下次将不再被使用。
所述的密钥长度M取值需要适中，不宜过大，以免读取密钥花费时间太长，导致无法及时将指令发送出去；不宜过小，以过度免频繁地读取Flash存储芯片，缩短Flash存储芯片寿命。
所述的密钥使用情况信息中包括一个整形数组，存储在Flash芯片地址空间的开头部分，用于记录用户过去使用密钥长度，即当前密钥位置，这个信息只包含密钥的使用情况，而不包含任何具体的密钥信息，单独存在没有任何意义，不影响系统的安全性。
所述的系统在初次运行时密钥使用情况信息为：0x000000，每次加密前，先从同步地址管理单元中读取密钥使用情况信息，并将其映射到一个用于控制密钥读取的位置的变量X，当消耗了M个密钥，即加密了长度为M的指令后，执行X＝X+M，即更新X值作为新的密钥使用情况信息内容，并重新存入密钥管理模块。
与现有技术相比，本实施例使用的是由量子随机数产生器产生的真随机数，并且具有较快的随机数生成速率，每个密钥只使用一次，实现了真正的一次一密无人机远程安全控制。本方法使用的加密、解密算法都是按位操作，处理器执行速度快，可以实现实时指令传输，即实时控制。因此，基于本发明的远程安全控制系统可方便地实现无人机的安全保密控制。
为了验证加密指令的可靠性，用带有NRF24L01无线模块的电路分别截获遥控器发射到空中的明文、密文电磁波指令数据，将数据保存到SD卡中，用Matlab软件进行数据处理。最终可得如图4所示波形。由此可见，加密前的明文具有明显的周期性，加密后的密文杂乱无章。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种用于物联网远程控制的保密控制方法，其特征在于，以量子随机数密钥序列在加密端存储器中的不同存储位置作为明钥，在每次对明文指令一次一密加密操作后对明钥进行同步更新，并作为密文指令的一部分；当解密端进行解密时，首先读取解密端存储器中对应密文指令中的明钥得到密钥的存储位置，然后读取密钥并对密文指令进行一次一密解密；
所述的密文指令中存有密钥的使用情况信息；
所述的一次一密是指：通过量子随机数产生器生成的随机比特流数据，其中的每位密钥数据仅被加密使用一次，加密后的密钥数据位以后不再加密且需要定时更新，以保证密钥序列的安全性；
所述的加密、解密操作通过将明文与密文按一次一密位的字节流方式异或操作完成。
2.根据权利要求1所述的保密控制方法，其特征是，所述的同步更新是指：将加密端加密指令所用的密钥存储地址作为明钥存放于指令结尾部分，解密端接收到指令后首先根据明钥内容读取出对应密钥，得到正确密钥后对指令进行解密。每次发送、接收完毕需要更新密钥地址，即指记录每次使用过的密钥部分和待加密指令的长度，自动生成更新后的密钥读取位置，即得到下一次加密所需的密钥的存放地址，根据此地址读取密钥，并进行对指令进行加密操作。
3.一种实现权利要求1或2所述方法的系统，其特征在于，包括：密钥生成模块、密钥管理模块、加密发送模块以及接收解密模块，其中：密钥生成模块与密钥管理模块相连并传输密钥信息，密钥管理模块与加密发送模块相连进行一次一密加密操作，密钥管理模块与接收解密模块相连进行一次一密解密操作，密文发送模块与密文接收模块相连并传输密文指令；
所述的密钥管理模块包括：嵌入式控制单元和密钥存储单元，其中：嵌入式控制单元与密钥存储单元相连并传输密钥信息。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的加密发送模块包括：一次一密加密单元、同步地址管理单元以及无线发射单元，其中：一次一密加密单元与同步地址管理单元相连并传输密钥信息，一次一密加密单元单元与无线发射单元相连并发送密文指令；
所述的接收解密模块包括：一次一密解密单元、同步地址管理单元以及无线接收单元，其中：一次一密解密单元与同步地址管理单元相连并传输密钥信息，一次一密解密单元单元与无线接收单元相连并接收解密密文指令。
5.一种根据权利要求3或4所述系统的远程安全控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在双方进行保密通信之前，首先对加密发送模块以及接收解密模块补充或更新密钥，即将量子随机数生成器产生的二进制随机比特流写入通信双方的同步地址管理单元中；
步骤2：当无线发射单元需要发射指令给无线接收单元时，由嵌入式控制单元控制首先根据密钥首地址从密钥存储单元中读取与明文等长度的密钥数据，然后由一次一密加密单元将其与准备发送的明文指令进行异或操作，即一次一密加密，最后无线发射单元将密文指令发送出去，同时更新密钥地址，去除掉本次操作已经使用的密钥部分；
步骤3：当接收解密模块接收到加密发送模块发送来的加密指令时，一次一密解密单元首先读取指令末尾字节得到解密密钥存放地址，根据该地址从同步地址管理单元中读取相应的解密密钥，得到密钥后将密文指令与密钥进行异或解密，即一次一密的解密，得到明文指令，最终可以执行指令对应的操作。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，初次运行时密钥的使用情况信息为：0x000000，每次加密前，先从同步地址管理单元中读取密钥使用情况信息，并将其映射到一个用于控制密钥读取的位置的变量X，当消耗了M个密钥，即加密了长度为M的指令后，执行X＝X+M，即更新X值作为新的密钥使用情况信息内容，并重新存入密钥管理模块。
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