基于RTX51 TINY的加密短消息通信系統(tǒng)

摘要：介紹一種基于RTX51 TINY的加密短消息通信系統(tǒng)，可以實現(xiàn)手機與手機以及手機與計算機之間的加密短消息通信。 關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng) RTX51 TINY 加密短消息 短消息服務(wù)，簡稱SMS(Short Message Service)。由于其方便、快捷、收費低廉，使得其應(yīng)用越來越廣泛，一些成功的短信服務(wù)已經(jīng)形成大規(guī)模的創(chuàng)收業(yè)務(wù)。在利用短消息技術(shù)實現(xiàn)手機銀行、手機炒股時，需要一定的信息安全技術(shù)來保護短消息所傳輸?shù)拿舾袛?shù)據(jù)的安全。一種常用的技術(shù)就是短消息加密技術(shù)，即將所傳數(shù)據(jù)加密之后進行傳播。 加密短消息的通信技術(shù)有多種，常用的方法有三種。一種是利用計算機實現(xiàn)，在發(fā)送端，通過運行在計算機中的軟件對短消息進行加密，然后通過發(fā)送裝置發(fā)送，而在接收端，接收裝置接收到加密的短消息后，傳送給計算機，再通過相應(yīng)的軟件進行解密。這種方式實際是將短消息作為數(shù)據(jù)通信的載體使用，只能實現(xiàn)計算機與計算機之間的加密短消息通信，而只擁有手機的個人用戶很難使用此方式。另一種是將手機現(xiàn)有的SIM卡升級成STK卡，然后通過STK的編程實現(xiàn)加密短消息的通信。通過STK卡的編程，在手機菜單目錄中增加了使用加密短消息通信的相應(yīng)增了使用加密密短消息通信的相應(yīng)增值服務(wù)項目，用記使用這些項目就可以實現(xiàn)加密短消息的收發(fā)。這種方式需要手機用戶將SIM卡升級成STK卡，而且只能使用相應(yīng)的增值服務(wù)項目。第三種方法是通過基于手機操作系統(tǒng)的軟件開來來實現(xiàn)，針對相應(yīng)的手機操作系統(tǒng)，編程實現(xiàn)加密短消息通信軟件模塊，然后下載到手機中，用戶使用此模塊實現(xiàn)加密短消息通信。此種方式個人用戶使用最方便，但是對手機有相應(yīng)要求，例如Silicov Village公司的Fortress SMS加密短消息通信系統(tǒng)，就需要基于SymbianV6手機操作系統(tǒng)的手機，如Nokia 7650手機。 本文介紹一種基于單片機的加密短消息通信系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心是一個運行RTX51 TINY嵌入實時操作系統(tǒng)的單片機，與手機的控制端口進行通信，控制手機的短消息操作，實現(xiàn)了手機與手機、手機與計算機以及計算機之間的加密短消息通信。 1 系統(tǒng)組成 實現(xiàn)手機與手機、手機與計算機以及計算機之間的加密短消息通信，既方便個人用戶也方便企業(yè)用戶的使用。系統(tǒng)的組成分為手機端與計算機端。手機端所完成的主要功能是對發(fā)送短消息的加密以及接收短消息的解密。手機端并不需要對短消息進行編程，相應(yīng)的編輯工作通過手機來完成，這就減少了單片機系統(tǒng)的硬件電路，使得單片機系統(tǒng)不需要設(shè)計鍵盤和顯示部分，也就保證了手機端設(shè)備小型化設(shè)計的要求。 手機端操作分成短消息的加密發(fā)送與接收解密兩部分： (1) 送加密短消息 用戶在使用手機端設(shè)備發(fā)送加密短消息時，首先用手機編輯一條短消息，此條短消息 是未加密的明文短消息，用戶不將其發(fā)送出去，而是存入發(fā)件箱;然后，手機端設(shè)備運行加密操作，將存在發(fā)件箱中未發(fā)出的明文短消息進行加密，加密之后再發(fā)送，完成發(fā)送操作。 (2)接收加密短消息 當(dāng)手機接收到加密的短消息后，用戶如果直接讀取，則在收件箱中會有一條不可識別的密文短消息。此時，運行手機端設(shè)備進行解密操作，手機端設(shè)備從手機收件上箱中讀取密文件短消息進行解密。解密之后將明文短消息存入手機的發(fā)件箱中，用戶從發(fā)件箱中就可以讀取到解密之后的明文短消息。 計算機端的核心是運行在計算機中的短消息加解密軟件，通過VC編程實現(xiàn)。由于不受系統(tǒng)資源的限制，計算機端軟件功能較強大，不僅可以實現(xiàn)短消息的加密發(fā)送、接收解密，還可以對手機收件箱、發(fā)件箱、已發(fā)件箱內(nèi)的短消息進行管理。在計算機本地還可以建立通信錄、短信數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)短消息的群發(fā)。 2 加密短消息實現(xiàn)原理 單片機系統(tǒng)控制手機進行短消息收發(fā)的原理實際上是利用手機的控制端口向手機發(fā)出一系列的AT命令，達到控制手機收發(fā)短消息的目的。單片機所連接的控制端口一般為串行異步接口，可以是紅外連接方式也可以是電纜連接方式，本系統(tǒng)采用電纜方式進行連接，通信速率與所選用手機的型號相關(guān)。 所用的AT指令是GSM07.05中所規(guī)定的AT指令。該指令集由歐洲通信技術(shù)秀員會ETSI(European Telecommunieations Standards Institute)發(fā)布，其中包含了收發(fā)SMS的相應(yīng)指令。其主要指令如表1所示。 表1 主要的AT指令 AT+CMGF 選擇短消息信息格式“0”——PDU格式 AT+CMGS 發(fā)送短消息 AT+CMGW 向SIM卡內(nèi)存中寫入短消息 AT+CMGL 列出SIM卡內(nèi)存中的短消息 AT+CMGR 讀短消息 AT+CMGD 刪除短消息 AT+CSCA 短消息服務(wù)中心地址 AT+CPMS 選擇短消息內(nèi)存“SM”——SIM卡 AT+CNMI 顯示新收到的短消息 在發(fā)送短消息前，首先通信AT+CMGF命令選擇短消息的格式。短消息的格式一般有TEXT與PDU兩種，PDU格式應(yīng)用最為廣泛，基本上全國所有的電信局都支持PDU格式的短消息業(yè)務(wù)。PDU格式相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)包，也方便實現(xiàn)短消息的加解密。本系統(tǒng)采用PDU格式收錄短消息。 PDU格式的短消息數(shù)據(jù)包分為兩種，一種為SMSSUBMIT，一種為SMS-DELIVER。SMS-SUBMIT為手機發(fā)送的PDU數(shù)據(jù)包格式，SMS-DELIVER為手機接收的PDU數(shù)據(jù)包格式。如圖1所示。

其中SMSC為短消息中心號碼，F(xiàn)0為首位，MR為信息類型，DA為被叫號碼，PID為協(xié)議標(biāo)識，DCS為編碼方案，VP為有效期，OA為發(fā)送號碼，SCTS為發(fā)送時間，UDL為用戶數(shù)據(jù)長度，UD為用戶數(shù)據(jù)。詳細內(nèi)容請參見GSM03.40。 進行加密短消息通信時，需要對SMS-SUBMIT格式由PDU數(shù)據(jù)包進行加密，對接收的SMS-DELIVER格式的PDU數(shù)據(jù)包進行解密。整個加密與解密操作只能對UD，也就是對用戶數(shù)據(jù)進行操作，不能對PDU數(shù)據(jù)包中的其他數(shù)據(jù)進行操作，以免造成數(shù)據(jù)格式不正確，無法進行短消息的收發(fā)。 短信加密算法可以采用用戶自定義的加密算法，也可以用DES、Rijndael等標(biāo)準(zhǔn)算法。但特別需要強調(diào)的是，用戶數(shù)據(jù)需要進行十六進制編碼后才能正確傳輸。無論選用何種加密算法，當(dāng)完成對用戶數(shù)據(jù)的加密操作后，需要將加密后的數(shù)據(jù)進行十六進制編碼，然后發(fā)送。解密前，需要先進行十六進制的解碼，然后再解密。 3 基于RTX51 TINY的單片機系統(tǒng)設(shè)計 RTX51是德國KEIL公司開發(fā)的一種應(yīng)用于8051系列單片機上的實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)。采用它可以簡化復(fù)雜的軟件設(shè)計。縮短項目開發(fā)時間。短消息加密通信系統(tǒng)的手機端設(shè)備，需要處理的數(shù)據(jù)量大，還要實現(xiàn)較復(fù)雜的加解密算法，但對系統(tǒng)的實時性要求不強，適合選用RTX51進行軟件的開發(fā)。 RTX51有兩個版本：RTX51 FULL與RTX51 TINY。RTX51 TINY是RTX51 FULL的一個子集，通過時間片輪詢方式，可以支持多達16個任務(wù)，任務(wù)之間可以進行信號傳遞，已經(jīng)滿足手端設(shè)備的需要。 3.1 系統(tǒng)硬件組成 由于一條短消息需要占用幾十到一百多字節(jié)的存貯空間，所以需要單片機系統(tǒng)對進行外部存貯器的擴展。為了與手機接口的電平匹配，還需要加電平轉(zhuǎn)換電路。整個單片機系統(tǒng)以AT89C52為核心，外接6264(8KRAM)進行數(shù)據(jù)存貯器擴展，以74HC04進行電平轉(zhuǎn)換，組成框圖如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件的核心為串行數(shù)據(jù)通信處理與加解密算法。為了保證串行數(shù)據(jù)通信的可靠性，采用中斷方式而不采用查詢方式處理串行口，并編寫了相應(yīng)的處理函數(shù)。加解密算法與計算機端軟件保持一致，也通過相應(yīng)的子函數(shù)實現(xiàn)。復(fù)位后，首先進行系統(tǒng)初始化，然后啟動相尖的處理任務(wù)，連接手機并監(jiān)視按鍵與串行口，對命令進行實時處理。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。 系統(tǒng)任務(wù)分配如下： (1) 任務(wù)0：TASK_INT，系統(tǒng)初始化并啟動其他全部任務(wù); (2) 任務(wù)1：TASK_CONECTPHONE，連接手機，判斷手機是否正確，并對手機進行初始化; (3) 任務(wù)2：TASK_SEND_AT，SMS短消息控制命令發(fā)送任務(wù)，向串行口發(fā)送AT命令; (4) 任務(wù)3：TASK_GET_DATA，從串行口接收數(shù)據(jù)，存入緩沖區(qū)，當(dāng)監(jiān)測到特片字符后，調(diào)用數(shù)據(jù)處理任務(wù)對數(shù)據(jù)進行處理; (5) 任務(wù)4：TASK_PROCESS_DATA，對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，并調(diào)用加解密函數(shù)實現(xiàn)SMS的加密與解密;

(6) 任務(wù)5：TASK_KEY，輸入按鍵處理; (7) 任務(wù)6：TASK_ERROR，錯誤處理。 在程序調(diào)試階段，發(fā)現(xiàn)由于串行口數(shù)據(jù)接收的實時性要求高，而RTX51 TINY不支持任務(wù)的優(yōu)先級，如果在一個任務(wù)中完成數(shù)據(jù)的接收與處理，則會由于處理速度慢造成緩沖區(qū)的溢出。所以將數(shù)據(jù)的接收與處理分在兩個任務(wù)中實現(xiàn)，數(shù)據(jù)接收任務(wù)負責(zé)數(shù)據(jù)的接收，并將接收數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，只有當(dāng)監(jiān)測到特征字符后，才調(diào)用數(shù)據(jù)處理任務(wù)對數(shù)據(jù)進行處理。 為了對PDU數(shù)據(jù)包進行處理，并且完成加密解密操作，系統(tǒng)主要編寫了以下函數(shù)： (1) CHAR XDATA *FIND_PDU(CHAR XDATA *P)：從接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)查找PDU數(shù)據(jù)包; (2) CHAR XDATA *PROCESS_SMS_SUBMIF(CHAR XDATA *P)：處理SMS_SUBMIT格式的PDU數(shù)據(jù)包; (3) CHAR XDATA *PROCESS_SMS_DELIVER(CHAR XDATA *P)：處理SMS_DELIVER格式的PDU數(shù)據(jù)包; (4) VOID ENCODE (CHAR XDATA *P，INT LEN)：加密函數(shù); (5) VOID DECODE (CHAR XDATA *P，INT LEN)：解密函數(shù); (6) VOID CHAR2HEX(CHAR XDATA *P，INT LEN)：十六進制編碼; (7) VOID HEX2CHAR(CHAR XDATA *P，INT LEN)：十六進制解碼; (8) SERIAL()INTERRUPT 4：串行口中斷處理函數(shù)。 加密短消息通信系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛，在金融、股票、電子商務(wù)、醫(yī)療、數(shù)據(jù)庫安全、用戶認(rèn)證以及其他需要保證短消息安全的應(yīng)用中，都需要加密短消息通信系統(tǒng)。本文介紹的加密短消息通信系統(tǒng)，由于是通過手機的控制端口控制手機進行加密短消息的收發(fā)，對手機的硬件沒有具體的要求。也就是說即不需要將SIM卡進行升級，也不要求一定是采用某種手機操作系統(tǒng)的手機。這方便了已經(jīng)擁有手機的用戶的使用，便于系統(tǒng)的推廣。