国密算法在智能家居数据安全应用研究

侯宪锋 韩磊 王兴元 王丰

【摘要】    智能家居给人们带来舒适便捷的同时，隐私安全问题也日益凸显。文章阐述了基于自定义协议的数据加密系统，系统采用国密算法，自主可控。建立算法模型，使用SM3，SM4算法实现终端与服务端身份互认证，数据加密，秘钥因子分发等功能。提高了各端数据安全性。

【关键字】    国密算法    身份认证    数据加密    算法模型

引言：

智能家居就是采用现代联网、布线及自动控制等技术将家居终端设备集成，智能家居提高了生活的便捷及舒适性。任何通过网络传输的信息都存在一定的安全隐患，当前，对智能家居的研究主要集中在应用开发，对使用过程中安全问题投入的关注度还不够。

智能家居进行终端控制采用的通信方式主要分为两种：无线通信和有线通信。无线通信包含以下通讯方式：ZigBee，Z-wave，RF，Bluetooth，WiFi，Lora，NB-IOT等;有线通信包含以下通讯方式：RS485，RS232，CAN，Lonworks，Modbus，KNX等[1]。

智能家居通过网络传输控制指令进行家居设备控制及设备狀态上报，达到智能化。带来便捷的同时，也对家居设备带来了安全威胁问题。数据安全，才能保障智能家居系统安全，保证用户隐私安全;智能家电安全同样引起重视[2-3]。

系统采用身份认证，指令数据加密提高了抵御来自网络威胁的能力。系统中所涉及到的所有与终端交互数据加密部分，都采用国密算法。国密常用算法：对称算法，SM1，SM4;非对称算法，SM2;密码杂凑算法，SM3（HASH算法库）[4]。其中SM2，SM3，SM4已公开算法，SM1算法未公开，必须调用硬件接口。本文主要关于系统中服务端与网关设备端数据交互部分。

一、系统架构

系统由服务端、终端、网络等组成。系统软件框架图如图1所示。

系统服务端负责业务处理：信息管理、收发数据、身份认证、数据处理、存储等功能;用户端查询、控制范围内的设备状态;终端网关链接服务端与家居设备，收发指令。

二、算法模型

服务与网关客户端数据交互采用自定义协议，方便后期的维护与扩展，协议格式如下：

数据交互过程中，主要包括：身份认证，数据加密交互。数据加密流程中首先要完成秘钥因子的生成及确认。图2所示身份认证逻辑流程，图3所示秘钥因子生成逻辑流程。

2.1身份认证

身份认证是相互的，假设通讯双方是客户端和服务端：客户端认证服务端身份，服务端认证客户端身份，只有同时通过认证，才可以进行数据通讯。

身份认证逻辑流程图2所示。

身份认证采用SM3算法，输出结果256比特，32字节。

假设IN（n）标识长度为n字节的字符串，其中n>0。

客户端身份认证数据封装算法模型：

注解：

（1）协议中校验范围内的所有数据;（2）验证因子：设备注册到平台时，产生的数值，只保存在服务端和设备端，不在网络上传输，只验证时参与运算;（3）使用SM3计算校验值，校验范围数据与验证因子组成字符集合做校验，生成校验值hash_in（32）;（4）封装身份认证数据DATA。

客户端按照算法模型计算封装认证协议数据包发送到服务端。

服务端身份认证算法模型：

注解：

（1）校验值，随协议包明文传输的验证数据32字节;（2）长度为n（n>0）的协议数据，不包含（1）校验值内容;（3）验证因子，与客户端同一验证因子;（4）使用SM3算法计算出的值生成认证数据hash（32）;（5）比对两个验证数据是否相等，结果为0或1，相等为1通过验证，不等为0不通过验证。RET表示最后的结果0或1。

服务端认证客户端发送的数据，通过认证后，产生认证数据到客户端进行认证，客户端对服务端做出认证后，完成认证流程，链路保持;认证失败，断开链路，释放资源。

算法模型验证数据，十六进制展示发送数据（表2）。

2.2数据加密

交互数据在传输过程中采用一数据包一秘钥的方式。

加密算法采用对称算法，国密SM4公开算法，国密SM1算法没有公开，需使用对应的硬件进行加解密。SM4为分组加密算法，秘钥长度、数据分组长度为128位（16字节）。

data_t=sm4_enc（key，data_i）数据加密;data_i=sm4_dec（key，data_t）数据解密。data_i原始明文数据，key加密秘钥，data_t加密后生成的密文数据。

秘钥因子生成逻辑流程如图3所示。

1.秘钥因子的产生

秘钥因子作为秘钥的一部分参与到数据加解密中，秘钥因子由服务产生并定时进行更换。服务端秘钥可由硬件生成真随机数并保存形成秘钥池，使用时从秘钥池中提取，秘钥池定时更新。

服务端秘钥因子数据封装算法模型：

注解：

（1）服务从秘钥池中获取8字节秘钥作为秘钥因子;（2）服务端与网关客户端默认的8字节部分秘钥;（3）协议报文头中8字节毫秒时间戳字段与默认8字节秘钥组成16字节加密秘钥;（4）SM4加密算法加密秘钥因子，生成16字节密文数据data_t（16）;（5）报文头数据;（6）报文头与密文数据生成32字节校验值hash（32）;（7）封包数据结果DATA。

服务端认证成功客户端身份后，按照秘钥因子生成算法模型封装协议数据包发送到客户端。

2.秘钥因子验证

客户端接收到数据后，验证数据包完整性，解密数据，获取秘钥因子，根据规则生成加密秘钥，发送默认数据加密后的数据到服务端验证秘钥因子正确性。

客户端加密默认数据验证秘钥因子算法模型：

注解：

（1）计算出校验值验证数据完整性;（2）解密数据内容，获取秘钥因子;（3）使用毫秒时间戳和秘钥因子生成加密秘钥;（4）加密16字节默认明文数据;（5）报文头数据;（6）报文头与密文数据生成32字节校验值hash（32）;（7）封包数据DATA，发送到服务端，等待服务处理结果（按照图3流程）。

身份认证及秘钥因子生成完成后，指令数据交互按照一数据包一秘钥的方式进行。

算法模型验证数据，十六进制展示发送数据（表3）。

2.3算法性能

封装数据包过程中高频次使用SM3、SM4国密算法，提高数据安全。对算法性能做了相关测试，可满足通讯过程中数据处理要求：

三、结束语

本系统使用国密算法，对数据安全进行防护。身份互认证机制，维护了各端身份安全;系统设计使用一数据包一秘钥设计，提高了每一数据包的安全性，实现了加密数据安全实时通信功能。算法采用国密算法，协议为自定义协议，自主可控，方便维护与扩展。

参  考  文  献

[1]许奎.智能家居通讯协议综述[J].仪器仪表用户，2017，2（24）：109-111.

[2]吴晓庆，郑骏. 基于4G网络的视频加密传输软件设计[J]. 电子与封装， 2021， 21（2）： 020302 .

[3]肖诗满;陈军;纪瑶;夏江;杨林. 智能家电电路典型失效机理与设计缺陷[J]. 电子与封装， 2020， 20（12）： 120401 .

[4]王小云，于红波.SM3密码杂凑算法[J].信息安全研究，2016，2（11）：983-994.