基于GSM的無線抄表系統(tǒng)安全性的設計

2 系統(tǒng)加密算法和分析
2．1 數據加密算法
GSM通信網絡的安全保障離不開加密理論的支持。從應用角度看，信息的安全需要保密、防篡改、防偽造等保障目標。而對應到數據加密理論，這些目標可由對稱加密、非對稱加密、散列等算法結合應用來實現。
對稱加密算法的加密和解密使用同一個密鑰，相對非對稱加密算法密碼長度較短(56 b，64 b或128 b)、加密速度快。最為普及和典型的是DES算法；非對稱加密算法有兩個密鑰，一個公開，一個保密，因此一個做公鑰，一個做密鑰，該算法運算量大，與對稱加密算法相比，加解密速度慢，不適合大量數據加解密，只適合小量數據加解密。典型的算法有RSA算法、橢圓函數加密算法等；散列函數是對明文運算后，可以生成一個定長的摘要，明文發(fā)生改變后摘要值變化很大，該函數是一個單向函數，從明文計算出摘要是很容易的，但從摘要計算出明文是不可能的。典型的算法有MD5，SHA等。
2．2 系統(tǒng)加密分析
上面提到的幾種算法已經得到了廣泛應用，但是在以微控制器為處理器的系統(tǒng)中，他們就顯得很復雜，CPU運算速度不能滿足其要求，占用ROM和RAM的資源較多，影響系統(tǒng)的響應速度。因此，針對以ARM7為控制器，數據發(fā)送時間短，安全性要求不是很高的系統(tǒng)，很有必要設計一種簡單適用的加密方法提高系統(tǒng)的安全性。根據系統(tǒng)要求，考慮用對稱加密的方法來實現對數據短信的加密。它的兩個基本要素為加密算法和加密密鑰。加密算法主要由插入隨機數、字符置換、字符映射和異或等組成。加密密鑰由計算機終控端生成，而且密鑰可以隨時改變，通過GSM模塊發(fā)送。

3 系統(tǒng)加密過程
該設計對短信加密的思路為：首先根據短信原始內容計算出16位CRC校驗碼，16位校驗碼用其十六進制值對應的四字節(jié)ASCII表示，放在原始內容末尾，然后對包含原始內容和校驗碼的字符串再進行加密，根據生成的密文再次生成CRC校驗碼，置于密文末尾，最后發(fā)送出去。主要包括插人隨機數、字節(jié)置換、異或和字節(jié)映射四個過程。
3．1 密鑰
該系統(tǒng)使用對稱加密的方法，加密算法和密鑰只需保密其一即可使密文無法解讀。但由于加密算法需要精心設計并經過大量分析驗證，因此實際應用中優(yōu)秀的算法并不多，而且越是大量應用且公開的加密算法，越能表明更高的安全性。因此只要妥善保密好有限長度的密鑰，就能使無限長度的通信數據得到保密。對稱加密雙方使用同一個密鑰加密解密，此密鑰由計算機終端通過GSM模塊發(fā)送。對于本來就存在安全隱患的GSM網絡來說，最好的方法就是隨時改變密鑰。因此考慮用32 B隨機數作為密鑰，此密鑰可以由計算機管理員隨機輸入或者用PC機采用隨機數生成算法生成。
3．2 加密算法
(1)CRC校驗碼
CRC循環(huán)校驗碼主要用來校驗發(fā)送的數據是否可靠，如果不可靠就丟棄重發(fā)或修復。CRC校驗碼主要由信息碼和校驗碼組成。如果CRC校驗碼長度為nb，信息碼長為kb，就稱(n，k)碼。它的編碼規(guī)則為：首先將信息碼左移(n-k)位，然后用一個生成多項式g(x)(二進制數)用模2除移位后的式子，余數就作為校驗碼。該設計中GSM模塊的一條短信最長為160個ASCII字符，加上短信明文的長度，考慮到長度太長延時較為嚴重，因此選擇標準CRC生成算法CRC-CCITT，其多項式為：CRC-CCITT=X16+X12+X5+1。
(2)插入隨機數
從原始明文中依次取出一個字節(jié)，若該字節(jié)的ASCII值模3余0，則在該字節(jié)后插入3個隨機數；若該字節(jié)的ASCII值模3余2，則在該字節(jié)后插入2個隨機數；若該字節(jié)的ASCII值模3余1，則在該字節(jié)后插入1個隨機數，隨機數種子選取各種與當前系統(tǒng)狀態(tài)相關的數值。插入的隨機數對應的ASCII的平均值應盡量與原明文內容的平均值相近，以增加破解的難度。根據系統(tǒng)短信的格式，如前綴、讀表數據、讀表時間、CRC校驗碼等，長度為20 B，那么經過這一步操作之后，字符串最短長度為40 B，最長為80 B，這樣字符串的長度在40～80 B之間，不確定性大大增加。
(3)字節(jié)置換
將上一步生成的字符串第一個字節(jié)的高四位和最后一個字節(jié)的低四位交換，第二字節(jié)高四位和倒數第二字節(jié)低四位交換，依次類推，生成字符串；此時，若字符串長度為偶數，將相鄰兩字節(jié)高四位與高四位交換，低四位與低四位交換，生成新字符串。若字符串為奇數，將第一個字節(jié)的高四位、低四位和最后一個字節(jié)高四位，低四位對應交換，將第二個字節(jié)的高四位、低四位和倒數第二個高四位、低四位對應交換，依次類推，最中間一個高四位與低四位交換，生成字符串，此時字符串長度不變。
(4)異或
先將32 b密鑰與12 b硬件ID號循環(huán)異或，即密鑰的第n個字節(jié)與ID號的第n％12個字節(jié)異或，得到長度為32 b的字符串密鑰。然后再將上一步產生的字符串與這個32 b的字符串密鑰再做同樣的循環(huán)異或，即字符串的第n個字節(jié)與32 b字符串的第n％32個字節(jié)異或。經過兩次雙層循環(huán)異或，生成更加混亂的字符串，此時字符串長度仍然不變。
(5)字節(jié)映射
依次取出上步生成字符串的一個字節(jié)，若該字節(jié)對應的ASCII值小于32或者大于95，例如0x1A，則將該字節(jié)拆分為兩字節(jié)，兩字節(jié)的低四位分別為該字節(jié)的高四位和低四位，兩字節(jié)的高四位分別為0110，0111，即生成0x61，0x7A；這里的兩個字節(jié)的高四位取值要盡量接近，但應滿足與低四位組合后他們的ASCII值與不拆分字節(jié)對應的值不在一個范圍之內；若該字節(jié)值在32～95B之間，則保留不變,經過此種映射后，字符串長度范圍由原來的40～80 B變?yōu)?0～160 B，字符長度的不確定性進一步增加，系統(tǒng)的安全性進一步提高。
最后根據生成的字符串計算16位校驗碼，置于字符串末尾，生成最終的密文發(fā)送出去。以上所有加密的過程均可逆，所以解密過程為上述過程的逆過程，首先根據CRC校驗碼判斷密文傳輸是否有誤，然后解密，根據解密后的明文獲得水表數據。

4 安全性分析
由于加解密使用的密鑰在不停地改變，本來密鑰的保密性就很強，使得一些統(tǒng)計工具就無法發(fā)揮作用。密文的字符串由0～9和A～F共16個字符組成，假如采用暴力窮舉法進行破解，若計算機的主頻為3．0 GHz，取字符串長度為15，用1臺計算機進行破解，時間T=1615／(24×3 600×365×3×109)≈12年，若采用100臺計算機聯(lián)網同時破解，字符長度僅增加2位，T=12×162／100≈30年，恐怕沒有誰具有如此的耐心去進行此項工作。而密文字節(jié)長度在40～160 B之間，那么破解的時間將會更長。
由此可見，此種簡單實用的加密方案將系統(tǒng)的安全性大大提高。

5 結語
采用GSM無線技術進行遠程水表抄表，節(jié)省了大量的人力財力，提高了抄表的簡易性、實時性和可靠性；然而由于GSM通信網絡存在安全隱患，在以MCU為處理器的嵌入式系統(tǒng)中，已有復雜的加密算法卻無法使用，使得系統(tǒng)的安全性大大降低。不過對于這種特殊的系統(tǒng)，采用本文提及的短信加密的方法，提高了系統(tǒng)的安全性，且方法簡單實用，占用資源少，加解密速度快，適合推廣。