基于GSM的無線抄表系統(tǒng)安全性的設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)加密算法和分析
2．1 數(shù)據(jù)加密算法
GSM通信網(wǎng)絡(luò)的安全保障離不開加密理論的支持。從應(yīng)用角度看，信息的安全需要保密、防篡改、防偽造等保障目標(biāo)。而對應(yīng)到數(shù)據(jù)加密理論，這些目標(biāo)可由對稱加密、非對稱加密、散列等算法結(jié)合應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)。
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(yùn)算量大，與對稱加密算法相比，加解密速度慢，不適合大量數(shù)據(jù)加解密，只適合小量數(shù)據(jù)加解密。典型的算法有RSA算法、橢圓函數(shù)加密算法等；散列函數(shù)是對明文運(yùn)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(shù)是一個單向函數(shù)，從明文計(jì)算出摘要是很容易的，但從摘要計(jì)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(jīng)得到了廣泛應(yīng)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(fù)雜，CPU運(yùn)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(yīng)速度。因此，針對以ARM7為控制器，數(shù)據(jù)發(fā)送時間短，安全性要求不是很高的系統(tǒng)，很有必要設(shè)計(jì)一種簡單適用的加密方法提高系統(tǒng)的安全性。根據(jù)系統(tǒng)要求，考慮用對稱加密的方法來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)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(jī)數(shù)、字符置換、字符映射和異或等組成。加密密鑰由計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)對短信加密的思路為：首先根據(jù)短信原始內(nèi)容計(jì)算出16位CRC校驗(yàn)碼，16位校驗(yàn)碼用其十六進(jìn)制值對應(yīng)的四字節(jié)ASCII表示，放在原始內(nèi)容末尾，然后對包含原始內(nèi)容和校驗(yàn)碼的字符串再進(jìn)行加密，根據(jù)生成的密文再次生成CRC校驗(yàn)碼，置于密文末尾，最后發(fā)送出去。主要包括插人隨機(jī)數(shù)、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(shè)計(jì)并經(jīng)過大量分析驗(yàn)證，因此實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)秀的算法并不多，而且越是大量應(yīng)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(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)終端通過GSM模塊發(fā)送。對于本來就存在安全隱患的GSM網(wǎng)絡(luò)來說，最好的方法就是隨時改變密鑰。因此考慮用32 B隨機(jī)數(shù)作為密鑰，此密鑰可以由計(jì)算機(jī)管理員隨機(jī)輸入或者用PC機(jī)采用隨機(jī)數(shù)生成算法生成。
3．2 加密算法
(1)CRC校驗(yàn)碼
CRC循環(huán)校驗(yàn)碼主要用來校驗(yàn)發(fā)送的數(shù)據(jù)是否可靠，如果不可靠就丟棄重發(fā)或修復(fù)。CRC校驗(yàn)碼主要由信息碼和校驗(yàn)碼組成。如果CRC校驗(yàn)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(xiàng)式g(x)(二進(jìn)制數(shù))用模2除移位后的式子，余數(shù)就作為校驗(yàn)碼。該設(shè)計(jì)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(yán)重，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)CRC生成算法CRC-CCITT，其多項(xiàng)式為：CRC-CCITT=X16+X12+X5+1。
(2)插入隨機(jī)數(shù)
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(jī)數(shù)；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(jī)數(shù)；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(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)種子選取各種與當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)相關(guān)的數(shù)值。插入的隨機(jī)數(shù)對應(yīng)的ASCII的平均值應(yīng)盡量與原明文內(nèi)容的平均值相近，以增加破解的難度。根據(jù)系統(tǒng)短信的格式，如前綴、讀表數(shù)據(jù)、讀表時間、CRC校驗(yàn)碼等，長度為20 B，那么經(jīng)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(shù)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(shù)，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(shù)，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(yīng)交換，將第二個字節(jié)的高四位、低四位和倒數(shù)第二個高四位、低四位對應(yīng)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(chǎn)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(jīng)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(yīng)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(yīng)滿足與低四位組合后他們的ASCII值與不拆分字節(jié)對應(yīng)的值不在一個范圍之內(nèi)；若該字節(jié)值在32～95B之間，則保留不變,經(jīng)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(jìn)一步增加，系統(tǒng)的安全性進(jìn)一步提高。
最后根據(jù)生成的字符串計(jì)算16位校驗(yàn)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(jù)CRC校驗(yàn)碼判斷密文傳輸是否有誤，然后解密，根據(jù)解密后的明文獲得水表數(shù)據(jù)。

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(qiáng)，使得一些統(tǒng)計(jì)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(jìn)行破解，若計(jì)算機(jī)的主頻為3．0 GHz，取字符串長度為15，用1臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行破解，時間T=1615／(24×3 600×365×3×109)≈12年，若采用100臺計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)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(jìn)行此項(xiàng)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(shí)用的加密方案將系統(tǒng)的安全性大大提高。

5 結(jié)語
采用GSM無線技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程水表抄表，節(jié)省了大量的人力財(cái)力，提高了抄表的簡易性、實(shí)時性和可靠性；然而由于GSM通信網(wǎng)絡(luò)存在安全隱患，在以MCU為處理器的嵌入式系統(tǒng)中，已有復(fù)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(shí)用，占用資源少，加解密速度快，適合推廣。