基于MQTT協(xié)議的Android手機(jī)防盜方法

李　宏，郭江波

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.河北科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

0　引言

近年來，隨著智能手機(jī)的迅猛發(fā)展和普及，智能手機(jī)正改變著人們的生活方式，但隨之而來的手機(jī)丟失等問題也日益凸顯。發(fā)生手機(jī)丟失情況時(shí)，如何能快速、精準(zhǔn)地尋找到丟失的手機(jī)就顯得尤為重要。針對(duì)這種情況，蘋果公司設(shè)計(jì)了一套比較完善的丟失手機(jī)定位解決方案，通過建立自己的服務(wù)器iCloud記錄并綁定用戶信息和蘋果設(shè)備ID，如果用戶蘋果手機(jī)丟失，則可以通過在PC端登錄自己的iCloud賬號(hào)實(shí)現(xiàn)定位丟失手機(jī)、鎖屏、播放鈴聲、銷毀iPhone上的用戶信息等功能。Android手機(jī)并沒有開發(fā)類似的功能，但一些安全衛(wèi)士類的軟件，例如“360”和“騰訊”等公司設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于短信方式尋找丟失手機(jī)的方案[1]，通過設(shè)置安全號(hào)碼，在手機(jī)丟失后安全號(hào)碼向丟失手機(jī)發(fā)送短信指令，而丟失手機(jī)通過監(jiān)控短信的內(nèi)容，獲得定位、播報(bào)音樂和恢復(fù)出廠設(shè)置等相關(guān)指令。但自從Android5.0版本推出后，引入了多項(xiàng)安全增強(qiáng)措施，越來越難獲得root權(quán)限，而應(yīng)用軟件監(jiān)控短信內(nèi)容的做法也被Google公司拋棄。至此，傳統(tǒng)的基于短信方式尋找丟失手機(jī)的方案也因新版本的Android采用用戶授予短信發(fā)送權(quán)限的安全模式變得不那么可靠了；還有就是在拾到者或偷盜者更換掉手機(jī)的SIM卡之后，用戶丟失的手機(jī)就接收不到安全號(hào)碼發(fā)送的短信指令，丟失手機(jī)也不能執(zhí)行相應(yīng)的指令功能。而蘋果公司的基于iColud云服務(wù)方式找尋丟失手機(jī)的方式在Android系統(tǒng)上并不適用，首先IOS系統(tǒng)是閉源的，但Android系統(tǒng)是開源的[2]，而且各大公司買入Android版權(quán)定制更改Android系統(tǒng)底層的源碼[3]，尤其是對(duì)權(quán)限授予的管理各不相同，這就導(dǎo)致蘋果手機(jī)可以設(shè)置用戶首次使用時(shí)激活輸入身份驗(yàn)證信息，而Android系統(tǒng)手機(jī)不能；其次驗(yàn)證用戶的身份信息需要長期提供驗(yàn)證云服務(wù)，投資成本太高，而且也說服不了所有Android系統(tǒng)手機(jī)生產(chǎn)廠家按照此規(guī)定去做。

通信協(xié)議的選擇需要考慮數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、不丟、不重、保序、節(jié)能、流暢和安全這幾個(gè)因素，而長輪詢的方式是通過高頻率地從服務(wù)器拉取新消息[4]，這不但增加服務(wù)器的壓力，浪費(fèi)用戶的流量，而且消息仍然不夠及時(shí)[5]，如果不考慮傳輸時(shí)間，最長的延遲就是輪詢的間隔，所以使用HTTP輪詢方式不可取。而消息的生產(chǎn)者主動(dòng)推送消息[6]，可以解決長輪詢的缺點(diǎn)。消息推送協(xié)議可以選擇XMPP協(xié)議[7]和MQTT協(xié)議，但XMPP協(xié)議較復(fù)雜、冗余(基于XML)、費(fèi)流量、費(fèi)電、部署硬件成本高，這主要是因?yàn)閄ML有大量的標(biāo)簽冗余信息，網(wǎng)絡(luò)流量的70%都消耗在XMPP協(xié)議層了，這不適合手機(jī)防盜方案，而MQTT協(xié)議簡潔、小巧、可擴(kuò)展性強(qiáng)、省流量、省電，適合做大量節(jié)點(diǎn)弱和網(wǎng)絡(luò)差的場景，非常適合現(xiàn)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，是推送服務(wù)的最佳協(xié)議。

針對(duì)傳統(tǒng)的基于短信方式Android手機(jī)防盜的弊端[8]，提出了一種基于MQTT協(xié)議的Android手機(jī)防盜設(shè)計(jì)方案[9]。這種設(shè)計(jì)方案與蘋果公司的方案類似，也是先綁定設(shè)備的ID并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)指令執(zhí)行相應(yīng)操作。

1　MQTT協(xié)議

MQTT協(xié)議是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器，構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上[10]，基于消息發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式的輕量級(jí)即時(shí)通信協(xié)議[11]。其特點(diǎn)是傳輸代價(jià)較小(協(xié)議頭部只有2 Byte)，適用于低帶寬、低耗電量不可靠連接、嵌入式設(shè)備和CPU內(nèi)存緊張的設(shè)備[12]，可以以極少的代碼和有限的帶寬為遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)[13]。MQTT協(xié)議目前在物聯(lián)網(wǎng)、小型化設(shè)備、智能家居以及移動(dòng)設(shè)備等方面得到了較廣泛的應(yīng)用。

MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示。MQTT協(xié)議有3種身份：發(fā)布者(Publisher)、代理(Broker)和訂閱者(Subscriber)。其中，客戶端既可以是消息的發(fā)布者又可以是消息的訂閱者，消息代理是服務(wù)器，而消息發(fā)布者又可以訂閱接收自己發(fā)布的消息。MQTT服務(wù)端被稱為消息代理(Broker)，它是消息發(fā)送方和訂閱相同Topic消息的接收方之間的中介，服務(wù)器是用來處理客戶端網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求、訂閱和取消訂閱消息請(qǐng)求、接收客戶端消息體并轉(zhuǎn)發(fā)給訂閱相同Topic的客戶端。

圖1　MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)方式

2　總體設(shè)計(jì)

2.1　功能設(shè)計(jì)

本方案的功能主要包括Android手機(jī)定位、鈴聲報(bào)警、鎖定手機(jī)和刪除數(shù)據(jù)這4個(gè)功能。Android手機(jī)定位實(shí)現(xiàn)在用戶丟失手機(jī)時(shí)通過安全手機(jī)能夠快速準(zhǔn)確地定位；鈴聲報(bào)警實(shí)現(xiàn)使丟失手機(jī)播報(bào)鈴聲，輔助定位功能幫助用戶尋找丟失手機(jī)；鎖定手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶丟失的手機(jī)鎖屏操作，用以保護(hù)隱私內(nèi)容和財(cái)產(chǎn)安全，一旦鎖定手機(jī)，其他人將不能開啟該手機(jī)；刪除數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶手機(jī)刪除一切數(shù)據(jù)功能，是為了應(yīng)對(duì)用戶在無法找到丟失手機(jī)時(shí)，為防止隱私信息泄露和財(cái)產(chǎn)損失而執(zhí)行恢復(fù)出廠設(shè)置操作，銷毀用戶使用的一切痕跡。用例示意圖如圖2所示。

圖2　用例示意

2.2　總體框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由用戶手機(jī)、消息代理服務(wù)器Apollo和安全手機(jī)3部分組成。用戶手機(jī)在丟失以后通過網(wǎng)絡(luò)接收手機(jī)定位、鈴聲報(bào)警、鎖定手機(jī)或刪除數(shù)據(jù)的指令，從而執(zhí)行相應(yīng)操作；Apollo的作用是轉(zhuǎn)發(fā)用戶手機(jī)和安全手機(jī)發(fā)送的消息；安全手機(jī)是控制端，通過用戶的需要向用戶手機(jī)發(fā)送相應(yīng)指令。

本方案的總體框架結(jié)構(gòu)是基于客戶端/服務(wù)器模式，MQTT服務(wù)器采用Apache推出的基于ActiveMQ的消息代理服務(wù)器Apollo，Apollo是一個(gè)更快、更強(qiáng)健、更容易維護(hù)的流文本定向消息協(xié)議(Streaming Text Orientated Message Protocol，STOMP)服務(wù)器；用戶手機(jī)與安全手機(jī)通信采用IBM輕量級(jí)的消息發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)的即時(shí)通信協(xié)議MQTT協(xié)議，2個(gè)手機(jī)之間的相互通信都要經(jīng)過Apollo服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)，這其中包括安全手機(jī)向用戶手機(jī)發(fā)送的相關(guān)指令和用戶手機(jī)向安全手機(jī)返回的定位信息；SQLite是Android本地的數(shù)據(jù)庫，它用于保存用戶設(shè)置的主題(Topic)，只有當(dāng)訂閱主題一致時(shí)用戶才能通過MQTT協(xié)議接收服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的消息。基于MQTT協(xié)議的Android手機(jī)防盜方案總體框架結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　基于MQTT協(xié)議的Android手機(jī)防盜總體架構(gòu)

3　設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

基于MQTT協(xié)議的Android手機(jī)防盜方案主要針對(duì)Android手機(jī)在丟失時(shí)如何快速準(zhǔn)確定位尋找到手機(jī)而設(shè)計(jì)的，其主要功能模塊包括手機(jī)定位、鈴聲報(bào)警、鎖定手機(jī)和刪除數(shù)據(jù)這些功能。根據(jù)MQTT協(xié)議v3.1版本要求客戶端ID必須小于23 Byte的要求，用只有15 Byte的手機(jī)國際移動(dòng)設(shè)備身份碼(International Mobile Equipment Identity，IMEI)這一手機(jī)設(shè)備唯一ID作為與服務(wù)器端連接的clientId。而訂閱的主題(Topic)可以由用戶自己選擇填寫，這樣就能實(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)與安全手機(jī)之間互換角色，因?yàn)橛嗛喌闹黝}不一樣，它們收發(fā)的信息也是不一樣的。

用戶手機(jī)與安全手機(jī)之間的通信都需要發(fā)送一個(gè)CONNECT報(bào)文與服務(wù)器Apollo建立連接，然后2部手機(jī)都向服務(wù)器訂閱一個(gè)相同的TopicName，這樣2部手機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)消息通信了，用戶手機(jī)可以根據(jù)規(guī)定的指令協(xié)議按照安全手機(jī)發(fā)送的指令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。用戶手機(jī)通過mqttReceiverService類實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接以及訂閱相關(guān)主題等操作，mqttReceiverService類繼承于Service類；安全手機(jī)則通過mqttSenderIS類實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接與訂閱主題等操作。其主要功能實(shí)現(xiàn)如下。

3.1　手機(jī)定位

Android手機(jī)定位功能是在用戶手機(jī)和安全手機(jī)設(shè)置相同的訂閱主題(Topic)的情況下，用戶手機(jī)必須開啟一個(gè)Service來監(jiān)聽安全手機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令，這個(gè)監(jiān)聽類就是mqttReceiverService類，而安全手機(jī)通過mqttSenderIS類向用戶手機(jī)發(fā)送“dingwei#”指令，antitheftmqttsenderIS類繼承于IntentService類，用戶手機(jī)接收到定位消息指令后，會(huì)通過locationService類實(shí)現(xiàn)定位功能，然后通過locationSenderIS類向安全手機(jī)發(fā)送定位信息，而安全手機(jī)通過location-ReceiverService類監(jiān)聽用戶手機(jī)發(fā)送的定位信息[14]。通過百度地圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位信息展示，用戶手機(jī)通過定位獲取百度地圖經(jīng)緯度信息，而安全手機(jī)收到此信息以后進(jìn)行逆地址解析，解析出結(jié)構(gòu)化地址(即用戶能看懂的地址信息)，并顯示在百度地圖的圖層界面上，手機(jī)定位活動(dòng)圖如圖4所示。此項(xiàng)功能在系統(tǒng)安裝時(shí)需要用戶授予本系統(tǒng)定位權(quán)限，當(dāng)用戶開啟精確定位服務(wù)時(shí)，定位信息會(huì)更加精準(zhǔn)。

3.2　鈴聲報(bào)警

這項(xiàng)功能是為了輔助用戶能夠更精確地尋找到丟失的手機(jī)。用戶通過定位獲取手機(jī)位置后，可以通過鈴聲報(bào)警獲取手機(jī)具體在什么位置。用戶手機(jī)通過mqttReceiverService類監(jiān)聽相應(yīng)的指令，安全手機(jī)通過mqttSenderIS類向用戶手機(jī)發(fā)送播放報(bào)警鈴聲指令，即“baojing#”。鈴聲報(bào)警的具體功能是通過ringAlarm函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。此功能需要?jiǎng)討B(tài)獲得音頻管理器AudioManager權(quán)限，以便在用戶設(shè)置靜音或者振動(dòng)模式時(shí)能開啟聲音并調(diào)節(jié)音量大小。

3.3　鎖定手機(jī)

本功能是對(duì)用戶手機(jī)進(jìn)行鎖屏保護(hù)，用戶丟失手機(jī)時(shí)，為了防止他人偷窺用戶隱私或者竊取用戶財(cái)產(chǎn)，需要對(duì)丟失的手機(jī)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。安全手機(jī)需要通過mqttSenderIS類向用戶手機(jī)發(fā)送鎖屏指令并將鎖屏密碼一起發(fā)送給用戶手機(jī)；用戶手機(jī)開啟mqttReceiverService服務(wù)監(jiān)聽安全手機(jī)發(fā)送“suoping#”指令并解析指令協(xié)議中包含的鎖屏密碼。

圖4　手機(jī)定位活動(dòng)示意

3.4　刪除數(shù)據(jù)

刪除數(shù)據(jù)功能主要是為了用戶在找不到丟失手機(jī)的情況下，為防止得到者窺探用戶隱私或者竊取財(cái)產(chǎn)等行為[15]，不得已采用執(zhí)行數(shù)據(jù)恢復(fù)出廠設(shè)置操作而刪除丟失手機(jī)中的數(shù)據(jù)[16]。安全手機(jī)通過mqttSenderIS類向用戶手機(jī)發(fā)送刪除指令；用戶手機(jī)首先開啟mqttReceiverService服務(wù)監(jiān)聽安全手機(jī)發(fā)送“shanchu#”指令，然后執(zhí)行“wipedata”操作。恢復(fù)出廠設(shè)置也需要?jiǎng)討B(tài)地獲取系統(tǒng)權(quán)限。

鎖定手機(jī)和刪除數(shù)據(jù)這2項(xiàng)功能都必須激活系統(tǒng)管理員權(quán)限，激活權(quán)限需要一個(gè)繼承Device-AdminReceiver的廣播接收者，該廣播接收者的作用是激活一個(gè)授權(quán)的組件，幫助本系統(tǒng)申請(qǐng)系統(tǒng)管理員權(quán)限。獲取權(quán)限之后，通過設(shè)備管理類Device-PolicyManager的lockNow函數(shù)和resetPassword函數(shù)實(shí)現(xiàn)密碼鎖屏功能，通過wipeData函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)刪除功能。鎖屏和恢復(fù)出廠設(shè)置這2個(gè)功能必須要考慮Android系統(tǒng)版本的問題，因?yàn)镚oogle公司為了Android系統(tǒng)的安全考慮，會(huì)逐漸加大對(duì)申請(qǐng)系統(tǒng)權(quán)限、申請(qǐng)成功以后執(zhí)行業(yè)務(wù)的監(jiān)管。

4　測試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證方案的可行性和有效性，進(jìn)行了相應(yīng)程序設(shè)計(jì)并搭建了測試環(huán)境，測試環(huán)境包括2部Android智能手機(jī)(1部為用戶手機(jī)，另一部為安全手機(jī))和1個(gè)MQTT服務(wù)器。系統(tǒng)測試需要有4G或Wifi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。2部Android智能手機(jī)需要安裝設(shè)計(jì)的手機(jī)防盜App，通過配置文件設(shè)置來區(qū)分是運(yùn)行在用戶手機(jī)或安全手機(jī)上。MQTT服務(wù)器端需要安裝Apollo并進(jìn)行相應(yīng)的配置。

下面以鈴聲報(bào)警功能為例進(jìn)行測試過程說明。

① 2部手機(jī)都開啟網(wǎng)絡(luò)連接功能，獲取clientId(IMEI碼)，并連接到MQTT服務(wù)器(Apollo)；

② 2部手機(jī)TopicName都設(shè)置為ringOrder；

③ 2部手機(jī)向MQTT服務(wù)器訂閱相同主題；

④ 安全手機(jī)通過點(diǎn)擊“鈴聲報(bào)警開啟”按鈕向MQTT服務(wù)器發(fā)送鈴聲報(bào)警“baojing#”指令，其界面如圖5所示；

⑤ 用戶手機(jī)從MQTT服務(wù)器接收到鈴聲報(bào)警“jingbao#”指令并開始響鈴報(bào)警，其界面如圖6所示。

圖5　　　　安全手機(jī)端鈴聲　　　報(bào)警界面

圖6　　　　用戶手機(jī)端鈴聲　　　報(bào)警界面

測試表明，該方案實(shí)現(xiàn)了Android手機(jī)定位、鈴聲報(bào)警、鎖定手機(jī)和刪除數(shù)據(jù)等功能，且系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，有效地證明了該方案的可行性。

5　結(jié)束語

本文提出了一種Android手機(jī)防盜設(shè)計(jì)方案，由于該方案基本調(diào)用的都是Android應(yīng)用層和系統(tǒng)層API的函數(shù)，而不用處理底層繁瑣的業(yè)務(wù)，這樣大大縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)難度和開發(fā)成本。經(jīng)測試該方案實(shí)現(xiàn)了Android手機(jī)定位、鈴聲報(bào)警、鎖定手機(jī)和刪除數(shù)據(jù)功能，運(yùn)行效果良好，為其他基于Android手機(jī)防盜應(yīng)用項(xiàng)目的開發(fā)提供了參考。

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