何文才， 田傳鳳， 劉培鶴， 楊 偉， 韓妍妍， 張曉菲

(北京電子科技學(xué)院通信工程系， 北京 100070)

短距離加密無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

何文才， 田傳鳳， 劉培鶴， 楊 偉， 韓妍妍， 張曉菲

(北京電子科技學(xué)院通信工程系， 北京 100070)

針對傳統(tǒng)無線數(shù)傳系統(tǒng)不能加密以保證數(shù)據(jù)和文件的安全性問題， 設(shè)計一種利用Noekeon算法加密文件的短距離無線數(shù)傳系統(tǒng). 該系統(tǒng)由軟件和硬件共同運行： 利用C# 語言實現(xiàn)主控界面的編程， 將Noekeon算法密鑰存放在USBkey里， 在系統(tǒng)界面調(diào)用Noekeon算法對文件進(jìn)行加解密， 操作USB1101-232無線數(shù)傳模塊對文件進(jìn)行傳輸， 利用MD5算法驗證收發(fā)雙方的HASH值. 測試結(jié)果表明， 該系統(tǒng)可保證文件傳輸?shù)目煽啃院桶踩?

Noekeon算法； MD5算法； 數(shù)傳模塊； USB密鑰； 無線通信

0 引言

目前， 實現(xiàn)無線通信的可行性方案有IrDA(紅外傳輸)、 藍(lán)牙、 WIFI、 無線數(shù)傳模塊[1]等種類. 這些針對數(shù)據(jù)和文件的無線數(shù)傳系統(tǒng)的研究主要是能保障傳輸文件的準(zhǔn)確性和可靠性， 并不能保障傳輸文件的安全性. 將密碼算法和文件傳輸程序結(jié)合的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)則可解決上述問題. 在一對多控制中， 導(dǎo)線控制不能滿足具有移動特性的設(shè)備的需求， 更不能滿足數(shù)據(jù)和文件的保密性， 而加密的無線數(shù)傳系統(tǒng)則可以克服這個缺點. 短距離無線技術(shù)都有其立足的特點， 或基于傳輸速度、 傳輸距離、 耗電量的特殊要求, 或著眼于功能的擴(kuò)充性, 或符合某些單一應(yīng)用的特別要求, 或建立競爭技術(shù)的差異化等， 但是沒有一種技術(shù)可以完美到足以滿足所有的需求. 紅外技術(shù)、 藍(lán)牙技術(shù)傳輸速度快， 但是只適合在相對穩(wěn)定靜止的短距離通信環(huán)境中應(yīng)用； WIFI比較適用于辦公室中的企業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)， 但安全性較低. 具體參數(shù)如表1.

本研究采用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行無線傳輸， 其有效傳輸距離約200 m， 是一種協(xié)議簡單的短距離無線傳輸方案[2]. 它具有通信受環(huán)境影響小、 成本低、 構(gòu)建周期短、 功耗低、 受地理條件限制少、 安裝靈活等優(yōu)點， 且系統(tǒng)維護(hù)方便， 支持點對點和一點對多點的數(shù)據(jù)傳輸. 最重要的是， 結(jié)合密碼算法之后可保證文件傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕?在許多領(lǐng)域都會有廣闊的應(yīng)用前景. 如利用無線數(shù)傳模塊搭建智能家庭網(wǎng)絡(luò)[3]， 可有效降低家庭無線局域網(wǎng)的構(gòu)建難度與成本， 促進(jìn)廉價智能家居的推廣與普及.

表1 四種無線通信的參數(shù)比較

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示. 本系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個部分. 傳輸前發(fā)送方和接收方都將無線數(shù)傳模塊和USBkey插到電腦終端上， 兩個終端距離超過1 m. 具體操作步驟如下：

1) 兩臺PC機(jī)運行C# 實現(xiàn)的EXE程序[4]并設(shè)置參數(shù)、 打開串口， 與無線數(shù)傳模塊握手確認(rèn)連接成功；

2) 通過串口調(diào)用USBkey[5]里存放的Noekeon算法對文件進(jìn)行加密并保存；

3) 與另一無線數(shù)傳模塊握手， 確認(rèn)能夠進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)；

4) 將加密后的文件通過無線數(shù)傳模塊進(jìn)行發(fā)送；

5) 接收端自動接收， 先設(shè)置保存路徑并創(chuàng)建文件名和類型， 再進(jìn)行接收文件；

6) 利用Noekeon算法對文件進(jìn)行解密， 即可得到發(fā)送端的原文件.

經(jīng)過上述操作步驟后， 就完成了對帶有敏感數(shù)據(jù)的文件的傳輸操作. 通過硬件部分和軟件部分組合而成的短距離的無線數(shù)傳系統(tǒng)， 最終能夠?qū)崿F(xiàn)對文件的加密、 傳輸、 解密等操作.

圖1 總體設(shè)計圖

2 加解密程序設(shè)計

程序由Noekeon加密算法[6]、 HASH算法和主控程序三部分組成. 本系統(tǒng)采用Noekeon密碼算法來保證文件的機(jī)密性. 保證信息完整性的有效方法是利用密碼函數(shù)生成信息的“指紋”， 實現(xiàn)完整性檢驗， 系統(tǒng)采用MD5算法[7]來進(jìn)行驗證文件傳輸是否出現(xiàn)錯誤. Noekeon算法的加密、 解密流程圖如圖2所示.

圖2 Noekeon算法的加密/解密流程圖

主控程序即文件傳輸程序是本系統(tǒng)的核心程序， 通過這個程序可實現(xiàn)算法和硬件的調(diào)用以及HASH值的計算， 從而完成文件傳輸?shù)牟僮? 文件傳輸程序界面利用C# 語言通過軟件VS2010編寫， 可實現(xiàn)調(diào)用Noekeon算法對文件進(jìn)行加密與解密； 可通過調(diào)用串口將數(shù)據(jù)傳輸給無線數(shù)傳模塊， 繼而通過傳輸模塊傳輸文件和接收文件， 實現(xiàn)文件的傳輸操作. 文件無線傳輸?shù)陌l(fā)送端與接收端具體流程圖如圖3所示.

圖3 發(fā)送端和接收端主要流程框圖

3 無線模塊和USBkey的設(shè)計與制圖

硬件部分由USB1101-232無線數(shù)傳模塊和USBkey組成. 系統(tǒng)硬件傳輸采用USB1101-232模塊， 該模塊主要由ATmega 8[8]和CC1101芯片組成， 是一款帶有USB接口的無線數(shù)傳模塊， 專門為上位機(jī)設(shè)備無線數(shù)傳應(yīng)用而設(shè)計， 一般成對使用， 用于兩臺電腦間的數(shù)據(jù)和文件傳輸. 用PC端USB口直接取電， 很方便地構(gòu)筑起PC機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)之間的遠(yuǎn)程無線控制； 能自動過濾掉空中產(chǎn)生的假數(shù)據(jù)(所收即所發(fā)). 另外， 成本廉價、 適應(yīng)性好、 擴(kuò)展性好、 設(shè)備維護(hù)上更容易實現(xiàn)， 這些優(yōu)點也在本系統(tǒng)設(shè)計的考慮范圍之內(nèi). 無線數(shù)傳模塊[9]帶有USB接口的硬件PCB制圖如圖4所示.

圖4 CC1101-232模塊硬件展示

圖5 USBKey硬件展示

USBkey主要存儲密碼算法的密鑰， 通過對文件加密實現(xiàn)對傳輸文件內(nèi)容的保護(hù)， 防止文件內(nèi)容被惡意的篡改和截取. 傳統(tǒng)的USBkey的功能主要是身份認(rèn)證. 而本研究提出了USBkey另外一種功能， 即利用USBkey存儲算法密鑰， 從而將加解密過程在USBkey里實現(xiàn)， 脫離了電腦終端， 從而保證了數(shù)據(jù)安全， 進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性. USBkey的硬件PCB制圖如圖5所示.

4 主控程序運行效果圖

為方便控制， 采用的發(fā)射和接收頻率均為433 MHz. 終端用USB接口與無線數(shù)傳模塊相連， 其主要的操作步驟有： 設(shè)置無線數(shù)傳模塊的串口參數(shù)； 設(shè)置USBkey的參數(shù)； 數(shù)據(jù)傳輸. 以C# 來開發(fā)主控程序， 在打開主控軟件后， 軟件首先要和無線數(shù)傳模塊和USBkey分別握手成功后， 才能進(jìn)行后續(xù)通信. 在實際操作中， 可以調(diào)用上次存儲的無線數(shù)傳模塊和USBkey工作參數(shù). 圖6是主控程序界面. 圖7、 8是1234.txt文件發(fā)送端和接收端的主界面顯示圖.

圖6 主控程序界面

圖7 發(fā)送端主界面

圖8 接收端主界面

系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于： 提出利用Noekeon密碼算法、 HASH算法和無線數(shù)傳模塊進(jìn)行加密文件傳輸?shù)脑O(shè)想， 為無線保密通信提供一種有價值的研究方法. 相信通過不斷改進(jìn)， 這一設(shè)計可應(yīng)用在多種場合， 為人們的秘密通信提供便利. 由圖6、 7、 8的系統(tǒng)界面可見， 該系統(tǒng)操作方便. 實際測試時傳輸速度快， 同時能夠?qū)崿F(xiàn)文件穩(wěn)定傳輸， 且系統(tǒng)成本低廉， 為未來的無線通信技術(shù)應(yīng)用推廣提供了一定的價值.

5 系統(tǒng)設(shè)計可行性分析

目前， 市場上很多無線控制設(shè)備的性能越來越好， 功能也越來越強(qiáng)大， 但都有一個共同的特點—采用了公共頻段， 在使用過程中可能導(dǎo)致相互之間的干擾， 而且這些干擾是潛在的、 突發(fā)的， 可能會對系統(tǒng)的運行造成嚴(yán)重的后果， 在本系統(tǒng)設(shè)計過程中， 為保證信息的有效傳輸， 需要考慮以下幾點：

1) 有效性和傳輸速率. 如果系統(tǒng)無線通信環(huán)境較差， 則系統(tǒng)傳輸?shù)恼`碼率較高， 系統(tǒng)傳輸?shù)挠行院蛡鬏斔俾蕜t難以保證[10]， 所以在通信時選擇較好的通信環(huán)境非常關(guān)鍵.

2) 工作頻段. 因為該USB1101-232無線數(shù)傳模塊采用了公共頻段433 MHz， 所以存在潛在的、 或者不確定的干擾. 如當(dāng)有其它系統(tǒng)的工作頻率和該系統(tǒng)工作頻率一致的時候， 會產(chǎn)生同頻干擾， 而且有可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓， 無法正常工作， 所以進(jìn)行通信時要選擇一個相對“干凈”的環(huán)境.

3) 傳輸正確性. 因為USB1101-232模塊傳輸信息是透明傳輸， 所以為了保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性， 在傳輸數(shù)據(jù)或文件的同時， 要在數(shù)據(jù)后添加冗余的校驗信息， 在接收端如果檢驗出錯， 就需要重新傳輸.

4) 對于主控軟件的開發(fā)， 接收發(fā)送信息的控制方面， 本系統(tǒng)采用定時器觸發(fā)的方式， 防止系統(tǒng)發(fā)送給終端消息后， 在等待返回消息的時間內(nèi)， 造成“死機(jī)”的假象.

所以， 系統(tǒng)應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)當(dāng)前實際通信環(huán)境， 綜合考慮以上因素， 選擇最優(yōu)的傳輸方案， 確保最好的傳輸效果.

6 結(jié)語

針對傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的不安全性， 設(shè)計基于Noekeon算法的無線文件傳輸系統(tǒng)， 將Noekeon算法密鑰存放在USBkey里， 同時利用MD5算法驗證收發(fā)雙方的HASH值， 利用USB1101-232無線數(shù)傳模塊進(jìn)行傳輸文件. 測試結(jié)果表明： 該系統(tǒng)傳輸文件穩(wěn)定， 速度快， 可實現(xiàn)雙方之間的文件安全、 可靠的傳輸. 但是有研究報告表明， 能對Noekeon進(jìn)行相關(guān)密鑰攻擊， 所以算法的改進(jìn)、 防干擾、 差錯校驗在進(jìn)一步研究中.

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(責(zé)任編輯： 沈蕓)

A design and implementation of short distance wireless digital encryption system

HE Wencai, TIAN Chuanfeng, LIU Peihe, YANG Wei, HAN Yanyan, ZHANG Xiaofei

(Department of Communication Engineering, Beijing Electronics Science and Technology Institute， Beijing 100070, China)

In view of the traditional wireless digital encryption system can not guarantee the safety of data and documents, we design a short distance wireless data transmission system which use Noekeon encrypt files. The system run jointly by the software and hardware operation: using C# language master of programming interface, will be key in your USBkey Noekeon algorithm, the system call interface Noekeon algorithm for file encryption, operating USB1101-232 wireless data transmission module of file transmission, using the MD5 algorithm validation and HASH value. Tested results show that the system can guarantee the reliability and security of the file transfer.

Noekeon algorithm; MD5 algorithm; digital module; USBkey; wireless communication

2015-10-19

何文才(1956-)， 教授， 主要從事信息安全、 編碼理論研究， hwc@besti.edu.cn

北京市自然科學(xué)基金資助項目(4144084)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目 (328201533)

10.7631/issn.1000-2243.2015.06.0767

1000-2243(2015)06-0767-05

TP309.2

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