混沌加密在智能家居数据传输系统中的应用研究

摘要

物联网智能家居的快速发展为我们的生活带来了便利，然而数据安全的隐患也日益凸显出来，因此怎样保障物联网智能家居数据传输中的安全问题成了一个亟待解决的问题。混沌加密作为一种加密技术，因其诸多特性与传统的密码很相似而被广泛应用于各个领域。另外又因为它对初值敏感、密钥管理简单等特点，渐渐的被推广应用。混沌加密的关键因素是密钥序列的随机性和加密算法的设计，因此如何生成一个随机性良好的序列及设计一个好的加密算法，对我们来说是一个有挑战性的任务。本文以此为研究背景，利用实际软硬件平台设计实现了一个基于混沌加密的智能家居数据保密传输系统。实验结果显示整个系统可以在硬件平台上正常工作，达到了预期效果。本文研究内容分为以下几个部分：
　　首先对离散混沌映射的二值量化过程进行研究，并结合已有的量化方法提出一种新的二值序列提取方法。与传统方法使用混沌参数控制随机序列生成不同的是，其使用外部密钥控制随机序列的生成过程。使用外部密钥经数学变换得到混沌方程的初始值并迭代生成实数序列fn，再用fn结合外部密钥变换得到混沌方程初始值并迭代、转换得到整数序列vn。提取伪随机序列时vn决定选取fn二进制表示时小数点后的第几位，以此来提取二值序列。为测试得到的序列的性能，本文使用NIST提供的STS测试套件对其进行测试。实际测试结果显示新方法生成的序列拥有良好的随机特性，符合实际应用的安全需求。
　　其次，对几类加密算法进行研究和分析，选择较好的方法结合生成的混沌序列设计了一种加密算法、密钥同步及密钥管理方法。因混沌序列有良好的随机性，所以用流密码加密结合数学运算的加密方式比较适合嵌入式系统的应用环境。采用在第一包数据前加一个确认信号的方法，实现解密端与加密端处理数据的同步操作。加密端和解密端只留有一个外部秘钥输入接口，使密钥管理变得更方便。使用外部密钥取代参数作为密钥，扩展了密钥空间、提高了系统安全性、简化了密钥管理。为检测实际的综合加密性能，本文还进行了相关测试实验。测试结果表明，此算法在提高加密速度的情况下具有良好的加密效果。
　　随后，结合混沌加密、嵌入式技术、网络传输以及GUI编程，设计实现了一个智能家居数据保密传输系统。在整个系统的设计之中，数据采集端我们使用 RT5350作为硬件平台、显示端使用普通的个人电脑、ARM开发板以及手机终端等。实验结果表明系统可以做到数据的保密传输，客户端可在各硬件平台上正常工作，并能达到预期实验结果。
　　最后，总结了本文的相关研究工作，分析了研究中的存在的不足，提出了相应的改进措施，并对随后需要进一步深入的研究进行了展望。

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目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状及发展趋势

1.3 本文的主要内容和结构安排

第2章 混沌基本理论与密码学

2.1 混沌理论基础

2.2 常见的离散和连续混沌系统

2.3 混沌与密码学

2.4 本章小结

第3章 离散混沌序列生成及研究

3.1 常见量化方法

3.2二值序列提取方法

3.3混沌序列的随机性测试与分析

3.4 本章小结

第4章 基于混沌序列的加密算法设计

4.1常见加密方式分析与研究

4.2加密算法设计

4.3 加密算法的性能分析

4.4 本章小结

第5章 智能家居数据保密传输系统设计与实现

5.1 系统整体设计

5.2 软硬件平台介绍

5.3开发平台搭建

5.4 软件系统框架的设计与实现

5.5 混沌保密智能家居数据传输系统的实验结果

5.6本章小结

第6章 研究总结及展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录