基于MD5算法的物聯網傳輸模塊設計

姜 晶， 張 憲， 于云選， 唐勝武， 簡榮坤

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

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基于MD5算法的物聯網傳輸模塊設計

姜 晶， 張 憲， 于云選， 唐勝武， 簡榮坤

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

依據網絡智能化傳感器的特點，結合TCP/IP協議通信特點，以MCF52236CAF50單片機為核心控制器，設計了一種基于物聯網功能可以將模擬信號轉換成數字信號的模塊，同時為了保證數據傳輸的安全性，加入了信息—摘要(MD5)加密算法，實現了信息在物聯網中的安全有效傳輸。

物聯網； TCP/IP； MD5； 傳輸模塊

0 引 言

隨著物聯網、云計算、大數據、移動互聯網等技術的進一步發展，信息領域新產品、新服務大量涌現，不斷激發新的消費需求。我國物聯網產業的覆蓋面日益增大，而傳統的通信手段已不能滿足物聯網的數據傳輸及云計算平臺的需要，但改造傳統傳感器又不切實際，因此，將模擬數據轉換成符合物聯網框架結構進行數字傳輸的模塊,即，物聯網傳輸模塊迫在眉睫。模塊可以對物聯網設備進行接入和管理，并對上提供物聯網服務，其中，最重要的是將其收集的基礎信息傳遞給大數據平臺等進行大數據處理，同時，可以進一步推動物聯網與云計算、大數據、移動互聯網等新一代信息技術的融合創新，帶動物聯網關鍵技術突破及產業規模化發展。

文本設計了基于物聯網功能的模/數信號轉換模塊，并加入了信息—摘要算法，實現了信息在物聯網中的安全有效傳輸。

1 硬件設計

物聯網傳輸模塊內部結構如圖1所示。

圖1 物聯網傳輸模塊內部結構

微處理單元選用MCF52236CAF50作為中央處理器，支持通過以太網收發數據，符合RFC的TCP/IP堆棧，支持ARP，IP，ICMP，UDP，TCP，DHCP，BOOTP和TFTP等協議[1]，由于其含有以太網控制器以及Ethernet PHY的10/100 Ethernet MAC，因此降低了系統成本，減少了設計中的組件數量，節約設計空間，有效縮小了模塊體積[2]。

設計過程主要分為4類：感知過程、激勵過程、接收過程、傳輸過程。1)感知過程：傳輸模塊從外界環境收集信息，對收集的信息作模/數轉換并提交給微處理單元對信息進行處理;2)激勵過程：根據從外界環境收集的信息請求，控制系統進行數據輸出，并對輸出結果進行數/模轉換，將輸出信號傳輸給激勵裝置，從而對外界環境產生影響；3)接收過程：控制系統響應主機發送的命令請求或者數據的過程；4)傳輸過程：主機通過通信設備發布傳輸模塊節點的當前狀態信息，傳輸被請求數據給征訂者。通過上述4個過程，實現了模塊的主要功能，即對外部環境數據收發，并將動態采集的數據打包成標準數據進行發送。

2 軟件設計

軟件設計主要包括初始化、A/D轉換、數據處理、打包加密、以太網驅動以及數據傳輸等模塊。其中，數據幀的打包封裝，以及數據的加密處理在傳輸過程中尤為重要。是保證網絡信息安全傳輸的最主要手段之一。因此，設計采用MD5算法對TCP/IP傳輸協議的數據進行加密處理。

2.1 MD5加密算法

MD5是一種迭代型強加密單向散列函數。輸入2個不同的明文不會得到相同的輸出值；根據輸出值，不能得到原始的明文，即其過程不可逆。因此，要解密MD5沒有現成的算法，只能用窮舉法，將可能出現的明文，用MD5算法散列之后，將得到的散列值和原始的數據形成一對一的映射表，通過比對表中的散列值，找出與之相匹配的原始明文[3]。其長度取決于所采用，MD5以 512位分組來處理輸入信息，且每一分組又被劃分為16個32位子分組，經過了一系列的處理后，算法的輸出由4個32位分組組成，將這4個32位分組級聯后將生成一個128位散列值，分別為：A=0x01234567，B=0x89abcdef，C=0xfedcba98，D=0x76543210，將這4個鏈接變量復制到另外4個變量中：A到a，B到b，C到c，D到d[4]。第1輪循環包括16次操作，每次操作對a,b,c和d中的3個變量作1次非線性函數運算，然后將所得結果加上第4個變量、信息的1個子分組和1個常數。將所得結果向左循環移位一個隨機的數位，并加上a,b,c或d中的一個變量。最后該結果存入a,b,c或d之一變量中。以下為每次操作中用到的4個非線性函數

F(X，Y，Z) =(X&Y)|((～X)&Z)

G(X，Y，Z) =(X&Z)|(Y&(～Z))

H(X，Y，Z) =X^Y^Z

I(X，Y，Z)=Y^(X|(～Z))

函數F，G，H，I設計：如果X，Y和Z對應位是獨立和均勻的，F(X，Y，Z)，G(X，Y，Z)，H(X，Y，Z)，I(X，Y，Z)的每1位也應是獨立和均勻的。函數F按逐位方式操作：如果X，那么Y，否則Z。函數H是逐位奇偶操作符。設Mj表示信息的第j個子分組(0≤j≤15)，<<

FF(a，b，c，d，Mj，s，ti)表示a=b+(a+(F(b，c，d)+Mj+ti)<<

GG(a，b，c，d，Mj，s，ti)表示a=b+(a+(G(b，c，d)+Mj+ti)<<

HH(a，b，c，d，Mj，s，ti)表示a=b+(a+(H(b，c，d)+Mj+ti)<<

II(a，b，c，d，Mj，s，ti)表示a=b+(a+(I(b，c，d)+Mj+ti)<<

主循環共4四輪，每輪中唯一一個函數進行16步操作，共64步,文獻[4]詳細介紹了4輪操作的具體算法。操作完成后，在A，B，C，D變量上分別加上a，b，c，d。然后用下一分組數據繼續運行算法，最后輸出的是A，B，C和D的級聯。其邏輯圖如圖2所示。

圖2 MD5算法邏輯圖

本文利用MD5算法對上傳信息進行校驗處理，如果信息被篡改，其加密結果也將發生劇烈變化。設計時將傳輸的每一幀數據以MD5值的方式保存，即檢查兩個字節數組經過同一個算法后，結果是否一致：如果源一致，則結果必定一致，但如果任何一個字節不一致，其結果就相差很遠。進行數據傳遞時，將傳輸秘鑰計算成值，然后再和系統中保存的值進行比較，而傳輸過程中數據自身的值并沒有進行傳遞，從而保證了數據的安全傳輸。

2.2 數據結構針設計

TCP/IP協議族共分4層，按照層次由上到下，層層包裝。第3層是網絡層，IP協議就在這里，負責向數據添加IP地址和其他數據以確定傳輸目標。第4層是數據鏈路層，該層為待傳送的數據加入一個以太網協議并進行校驗編碼，為最終的數據傳輸做準備。數據鏈路層的最底層是硬件層，負責網絡的傳輸，該層定義網線的制式。讀取數據時，發送協議的主機從上至下將數據按照協議封裝，而接收數據的主機則按照協議解開數據包，最終獲取需要的數據[5]。

為了符合物聯網通信規則，采用符合TCP/IP協議建立架構相關接口標準，將接口信息嚴格按照圖3所示的協議報文結構進行定義，并將其固化到物聯網傳輸模塊中，統一分配唯一的標記屬性，從而保證了應答的唯一性和有效性。

圖3 協議報文結構

協議報文的結構對于TCP/IP協議棧文件與協議主要文件的對應關系[6]，如圖4所示。

圖4 協議棧文件與協議對應關系

2.3 尋址過程

傳統的互聯網資源尋址過程具有層次迭代性，即互聯網資源名稱到互聯網資源地址的尋址解析需要經過若干次尋址操作完成。物聯網資源尋址和互聯網資源尋址相比，同樣具有層次迭代性，使用層次迭代模型可以有效地統一描述物聯網資源的尋址特性，這也是物聯網資源尋址的顯著特點之一，圖5所示為資源尋址層次化映射模型。

圖5 資源尋址層次化映射模型

3 實驗結果

將0～5 V輸出的溫度、濕度和壓力傳感器經過物聯網傳輸模塊進行數據轉換后，形成的物聯網數據包，通過過以太網協議抓包工具Ethereal，可以看到如圖6(a)所示的協議內容。

圖6 物聯網數據包

結合圖6(b)顯示的傳輸數據，協議軟件上的有效數據與傳輸數據值可知：溫度25.5 ℃、濕度51.3 %RH和壓力99.8 kPa完全一致，傳輸過程保證了數據的安全性和穩定性，達到了將傳感器數據轉換成符合物聯網框架體系的數據進行傳輸的目的。

4 結束語

本設計符合物聯網框架體系下傳輸要求的傳輸模塊，可以將傳感器上傳的數據值封裝到符合物聯網傳輸框架體系下的數據結構中，使得傳輸的數據幀遵循物聯網通用體系架構的接口規范并進行數字化通信的輸出，同時，采用MD5加密算法對數據進行加密處理，保證了數據安全傳輸。實驗結果證實，設計切實可行，大大提高了現有傳感器的應用范圍，且不需要經過任何2次開發就可以直接連入物聯網終端進行數據傳送，實現了傳感器到物聯網的通路建立以及相關協議轉換等功能。

[1] Freescale Semiconductor Co.Simple media access controller(SMAC)user’s guide SMACRM[Z].Rev.1.2 Freescale Semiconductor,2005:123-136.

[2] 諶 利，張 瑞，汪 浩，等.深入淺出ColdFire系列32位嵌入式微處理器[M].北京：北京航空航天大學，2009:187-191.

[3] Schclar A,Rokach L,Abramson A,et al.User authentication based on representative users[J].Systems Man and Cybernetics,Part C:Applications and Reviews，2012，42(6):1669-1678.

[4] 韓津生，林家駿，葉建武，等.基于FPGA的md5高速處理模型設計[J].北京理工大學學報，2012,32(12):56-60.

[5] 邱 赟，張 穎.TCP/IP在無線傳感器網中的應用研究[J].傳感器與微系統， 2007，26(12):64-66.

[6] 楊柳銘，韓會杰，周 雪，等.基于TCP/IP協議的網絡監控開關開發[J].傳感器與微系統，2016，35(7):53-56.

Design of Internet of things transmission module based on MD5 encryption algorithm

JIANG Jing， ZHANG Xian， YU Yun-xuan， TANG Sheng-wu， JIAN Rong-kun

(49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

According to characteristics of intelligent sensor network,combined with characteristics of TCP/IP protocol communication,use MCF52236CAF50 MCU as core controller,based on IoT function,design a module through which digital signals can be converted into analog signals and transmitted by network.In order to ensure the security of data transmission,add MD5 encryption algorithm, and realize transmission security of data in IoT.

Internet of things(IoT); TCP/IP; MD5; transmission module

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0124—03

2017—01—19

TP 212.1

A

1000—9787(2017)07—0124—03

姜 晶(1978-)，女，碩士，工程師，主要從事智能傳感器及測量技術工作。