基于GSM的無線抄表系統(tǒng)安全性的設(shè)計

摘要：將GSM移動通信技術(shù)和Meter-Bus總線協(xié)議用于遠(yuǎn)程無線水表抄表系統(tǒng)，可以對用戶用水量進(jìn)行有效的實時監(jiān)控，減少人力物力，簡化布線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和能量共同傳輸。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線抄表，采用光電直讀技術(shù)計量水表數(shù)據(jù)，Meter-Bus總線讀取水表數(shù)據(jù)，GSM通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送水表數(shù)據(jù)三者結(jié)合的方法，通過微控制器的綜合管理，得到穩(wěn)定可靠的遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)；對數(shù)據(jù)短信采用對稱加密算法，CRC校驗、插入隨機(jī)數(shù)、異或、字節(jié)置換和映射的方法實施加密操作，提高了系統(tǒng)安全性，適合以MCU為核心的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：無線抄表系統(tǒng)；光電直讀技術(shù)；GSM；Meter-Bus；對稱加密

0 引言
    隨著電子技術(shù)，通信技術(shù)和傳感技術(shù)的不斷綜合發(fā)展，遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)應(yīng)運而生，尤其在近幾年發(fā)展十分迅猛。但目前國內(nèi)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)一般采用有線方式，有線抄表系統(tǒng)供電困難，尤其在環(huán)境惡劣的水表窖井中更為不便。其功耗較大，檢修困難，一旦組網(wǎng)，維護(hù)成本較高，這將對今后智能化、節(jié)約化小區(qū)的建設(shè)帶來極大不便，影響用戶正常生活。
    針對上述問題，利用GSM通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表，將用戶用水量以短信的形式發(fā)送到自來水公司，不但可以解決普通用戶水表的抄表問題，還可以對用水大戶進(jìn)行實時監(jiān)控，防止偷水和管道泄漏的發(fā)生。但是GSM網(wǎng)絡(luò)并沒有啟用A5對語音數(shù)據(jù)和信令進(jìn)行加密，現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)無法保障端到端之間的應(yīng)用層安全，在這種非定向的無線傳輸環(huán)境下傳送明文信息，很容易被人監(jiān)聽、冒用和篡改。用水大戶用水量較大，準(zhǔn)確的水表數(shù)據(jù)對自來水公司和用戶都非常重要，萬一在數(shù)據(jù)傳送過程中被人截獲篡改，將會給雙方造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，因此很有必要對數(shù)據(jù)消息進(jìn)行加密，提高系統(tǒng)的安全性，確保數(shù)據(jù)傳送無誤。
    針對上述問題，設(shè)計了基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，給出了一套針對該系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密的方法，提高了數(shù)據(jù)消息的可靠性。該方法簡單實用，占用CPU資源較少，適合在以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)中使用，對嵌入式在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用與普及具有參考意義。

1 無線抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ)和總體設(shè)計
    整個無線抄表系統(tǒng)包括光電直讀式水表表頭，Meter-Bus總線接口電路，GSM模塊，微控制器和自來水公司計算機(jī)終控端五大部分，如圖1所示。為了降低功耗，本設(shè)計中所有的模塊不是一直處于工作狀態(tài)，各個模塊應(yīng)在微控制器的指揮下定時工作。即抄表系統(tǒng)的所有模塊的工作方式為“長時間休眠，短時間工作”。其中，休眠周期(小時、天、周、月)和加密密碼由管理員用計算機(jī)終控端通過GSM模塊發(fā)布。微控制器接收GSM模塊收的指令后，修改抄表周期和加密密碼。同時根據(jù)設(shè)定的抄表周期通過Meter-Bus接口電路控制光電直讀水表表頭讀取當(dāng)前的水量值，然后再以短信的形式用GSM通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)給計算機(jī)終端，實現(xiàn)定時自動抄表。

1．1 Meter-Bus總線
    目前大部分光電直讀水表通過Meter-Bus通信協(xié)議(歐洲標(biāo)準(zhǔn))實現(xiàn)組網(wǎng)。Meter-Bus是專為“三表”抄表系統(tǒng)設(shè)計的總線協(xié)議，采用一主多從的結(jié)構(gòu)。所有的從機(jī)并聯(lián)在總線上，通過總線實現(xiàn)主從間的通信，并獲得工作的電能?？偩€僅由一對雙絞線構(gòu)成，工作電壓為24 V，由Meter-Bus主機(jī)提供。下行通信采用電壓調(diào)制方式，上行通信采用電流調(diào)制的方法。
1．2 光電直讀表頭
    光電直讀技術(shù)是水表自動抄表系統(tǒng)中的一項重要突破。基于該技術(shù)水表的水量計量仍由傳統(tǒng)的流量計式測量裝置構(gòu)成，讀數(shù)也仍然可以采用人工方式完成。但它在傳統(tǒng)的阿拉伯?dāng)?shù)字讀數(shù)裝置之外，增加了用黑白條印制的格雷碼。格雷碼和阿拉伯?dāng)?shù)字被印制在同一個桶裝字輪上，且具有一一對應(yīng)關(guān)系，讀出格雷碼所表示的數(shù)量就相當(dāng)于讀出了阿拉伯?dāng)?shù)字的大小，也就是讀出了水量計量裝置輸出的水量值。因此可以采用單片機(jī)通過光電技術(shù)來讀取黑白條表示的格雷碼，從而實現(xiàn)自動抄表。該設(shè)計采用了單片機(jī)，并具有Meter-Bus接口光電直讀水表表頭模塊，將水表數(shù)據(jù)以ASCII碼讀出，給GSM模塊對信息的傳輸和MCU對數(shù)據(jù)的加密提供方便。
1．3 GSM通信網(wǎng)絡(luò)
    GSM(Global System of Mobile Communication，全球移動通訊系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、不需建立新基站、通信質(zhì)量高。采用GSM短信抄表不占用語音信道，費用低，投資小，簡單可靠，且不受距離限制。因此，該設(shè)計使用內(nèi)核為TC35i(Siemens)的GSM MODEM，微控制器通過AT指令與其通信，利用GSM短信進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。
1．4 關(guān)于微控制器的考慮
    系統(tǒng)的所有模塊的工作方式為“長時間休眠，短時間工作”。經(jīng)過斟酌，選擇NXP公司的ARM7內(nèi)核的LPC2132作為主控器。原因如下：集成了實時時鐘功能(RTC)，能在CPU休眠時保持計時的功能，并能在設(shè)定的時刻通過中斷喚醒CPU；功耗甚小，休眠時電流僅10μA左右；工作電流僅在1 mA／MIPS以下；含有足夠控制GSM模塊和存儲歷史數(shù)據(jù)所需的RAM。

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(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)計對短信加密的思路為：首先根據(jù)短信原始內(nèi)容計算出16位CRC校驗碼，16位校驗碼用其十六進(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)計并經(jīng)過大量分析驗證，因此實際應(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校驗碼
    CRC循環(huán)校驗碼主要用來校驗發(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(jìn)制數(shù))用模2除移位后的式子，余數(shù)就作為校驗碼。該設(shè)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(yán)重，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)CRC生成算法CRC-CCITT，其多項式為：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(jù)CRC校驗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，若計算機(jī)的主頻為3．0 GHz，取字符串長度為15，用1臺計算機(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(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(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，且方法簡單實用，占用資源少，加解密速度快，適合推廣。