智能家居網絡實現及其安全性研究

楊南燕 馮錦如 張艷紅 洪家軍

?

智能家居網絡實現及其安全性研究

楊南燕 馮錦如 張艷紅 洪家軍

莆田學院信息工程學院，福建 莆田 351100

隨著我國科技的不斷發展，越來越多的智能產品應運而生。智能家居網絡的實現是當今社會發展的必然趨勢，與此同時，智能家居的網絡安全性也存在著諸多不足之處。對智能家居網絡的實現及其安全性進行了探討，以期促進智能家居網絡的實現，并為完善智能家居網絡安全系統做出微薄貢獻。

智能家居網絡；網絡安全；總線協議；應用程序

1 智能家居網絡的特點

通常情況下，智能家居網絡系統采用的設備為嵌入式設備。在整個智能家居網絡系統中，這種設備通常都是固定在處理器的內存設備上或者處理器的外部儲存芯片中。對于用戶而言，這種嵌入式設備中的程序很難更改。正是因為這個原因，使得智能家居網絡系統中的信息和網絡數據有被竊取和被篡改的安全威脅，具體表現在以下三個方面。

（1）阻礙了防火墻的應用。由于嵌入式設備儲存空間較小，加之嵌入式軟件的固化處理，使防火墻軟件很難應用到家居網絡中。

（2）智能家居網絡實現的方式。當前狀況下，智能家居網絡的實現通常使用的都是無線網絡。如果無線網絡的頻率以及調制和編碼等信息被泄露，那么便可以隨意向內網設備傳輸數據，威脅整個智能家居網絡系統的安全運行。

（3）智能家居網絡數據具有易篡改性。目前，許多嵌入式設備以及智能家居中的網絡設備都是分開的，來源于外部的惡意攻擊主要是由智能家居的網絡設備來阻止。

2 智能家居網絡的整體設計

智能家居網絡是將物聯網技術應用到家庭網絡中，將這兩種網絡融合在一起，形成一個新的系統，即智能家居網絡，它為人們的生活服務提供一個優質的平臺，這種網絡技術上的融合，無論是在經濟上還是在戰略上均有著重大的意義[1]。智能家居網絡采用無線技術將是未來發展的必然趨勢。

智能家居網絡安全控制系統的硬件設施主要包括通信節點、傳感器和控制器。其中最重要的硬件設施是傳感器和控制器，傳感器又包括溫濕度傳感器和光傳感器。這兩個傳感器的主要作用是監測智能家居網絡系統的內環境。控制器的主要作用是控制整個家居系統中的設備，包括照明系統、冰箱、電視、洗衣機等家居設備[2]。通信節點與這些家居設備的控制節點用無線網絡的形式連接起來。為了使智能家居網絡系統的安全得到保障，將連接到網絡中的家居系統的各個節點都設置密匙認證入網，并設置密碼，使控制器在發送指令時，先對信息進行加密，保證家庭網絡系統的安全性。在這個過程中，若連接入網的節點出現異常情況，傳感器將會在第一時間將異常情況反饋給控制器，發出警報，并及時采取一定的防御措施，從而保障智能家庭網絡系統的安全性。

3 智能家居網絡的實現

3.1 硬件的構建和實現

3.1.1 處理器及硬件的構建

在構建智能家居網絡的過程中，選擇合適的嵌入式處理器以及相對應的硬件是家居智能網絡構建的關鍵環節。其中，處理器上的外圍電路主要由若干部件組成。這些部件分別為復位電路、ROM、SDRAM和JTAG等。另外，還應考慮智能家居網絡系統實現的途徑、方法以及特點和應用范圍等，并以這些因素為依據，選擇其他與之相匹配的硬件設施。圖1為智能家庭網絡硬件設施的接入簡圖。

圖1 智能家居網絡硬件設施接入簡圖

3.1.2 家庭網絡的硬件構建

在智能家居網絡中，家庭網絡的硬件構建對整個網絡系統起著至關重要的作用，尤其是在嵌入式系統中，硬件的構建是整個系統的重要組成部分。系統硬件構建的實現主要由嵌入系統中的總線控制網絡來實現。內部的連接方式為：將總線控制器與硬件的接口相互連接，CAN總線以接入到網絡中的家庭網絡設施的不同之處，來構建不同形式的家居智能網絡系統。圖2為家庭網絡系統的硬件構建示意圖。

3.2 總線協議的實現

3.2.1 物理層協議的實現

物理層協議在整個家庭網絡系統中處于最低級的位置，與物理層協議息息相關的硬件設施為驅動器

圖2 家庭網絡系統的硬件構建示意圖

與接收電路、通信介質等問題。物理層結構主要包含了三個方面的內容。

（1）插件的類型及其數量和功能；（2）在信息傳輸的過程中，通信介質的編碼和排序等問題；（3）物理層協議可確定與鏈路層相關的硬件作用，選擇相應的通信介質以及構建通信的結構。

3.2.2 數據鏈路層協議的實現

數據鏈路層協議在整個智能家庭網絡系統中的主要作用是修復網絡系統中的永久性故障，主要分為四個方面：一是數據鏈路層無論是建立還是刪除過程，均包括地址和關系的確認以及傳輸內容的表示等。二是在信息的傳輸過程中，數據鏈路層協議主要控制了信息的數量、收發格式和編碼等。三是數據鏈路層協議能有效處理傳輸過程中出現的差錯，包括信息的丟失、重傳和亂序等。四是數據鏈路層協議可對數據傳輸過程中出現的異常情況進行處理，包括發現整個智能家庭網絡中的異常情況以及對異常的反饋和處理。

3.2.3 應用層協議的實現

應用層協議與物理層協議正相反。應用層協議作為整個網絡系統中的最高層，其實現功能主要分為兩個部分：一是用戶對智能家庭網絡系統的應用進程；二是家庭網絡系統應用管理的進程。家庭網絡應用管理的進程主要管理整個網絡系統中的資源，并對這些資源進行優化和分配等。這種管理系統還會負責整個網絡系統的重啟動、應用數據庫的訪問、數據的分布計算以及數據的處理等內容。

3.3 軟件的構建和實現

3.3.1 軟件的設計內容

軟件的設計內容包括以下三個方面：一是硬件的抽象層，包括嵌入式系統的初始化，系統總線與驅動設備的連接，如系統初始化和板極初始化等。二是系統程序的設計，這部分也是整個軟件系統設計內容最重要的組成部分，包括實時操作系統、文件的管理系統、圖形的接口以及網絡系統和操作系統等。三是智能家庭網絡系統中應用程序的設計。這項內容主要包括智能家庭網絡中數據的傳輸，并在控制器上顯示這些數據的內容，以及對處理這些數據的設備進行檢測和監控。

3.3.2 軟件的運行過程

目前，智能家居網絡系統通常采用嵌入式方式。在這種方式下的智能家庭網絡系統屬于一個多任務的系統，其中的任務形式相對來說較為復雜，一些任務在執行的過程中對其有著較高的要求。為了使系統中復雜的任務得到有效的管理，應采用OS系統對任務進行調整。在軟件開發的過程中，首要任務是引入信號量機制，使系統中的資源共享得到控制，使兩個任務同時進行時不產生矛盾。圖3為系統的運行過程圖解。

圖3 系統的運行過程圖解

3.4 智能家居網絡的應用程序

智能家居網絡應用程序的基礎為ARM7TDMI結構在智能家庭網絡系統中的應用。應用OS作為載體對智能家庭網絡系統進行操作。在這個過程中，以MCP2510為總線對CNA總線進行控制，在對CNA總線進行控制時，應先將寄存器初始化，并對寄存器發出命令，在此項操作之后，再進行數據的發送，將這些數據發送到緩沖區域，并發送位置信息的請求。這個過程包括CNA控制器的初始化以及數據的讀寫、查詢和發送等。

4 智能家居網絡安全性的研究

為了保證智能家居網絡系統的安全性，需要在網絡系統中建立安全框架。這個安全框架的主要作用是對系統中發送出的數據進行保密，嚴格進行訪問控制，并且能保證用戶的隱私，使智能家庭網絡系統免受不法分子的攻擊[3]。軟件的設計主要是針對智能家庭網絡系統的安全系統，根據實際情況設計出符合標準的安全算法，使智能家庭網絡系統具有抵抗惡意破壞的能力，保證整個家庭網絡系統能安全穩定的運行。

通常情況下，智能家庭網絡系統均會以雙重認證的方式來維護數據信息在網絡傳輸過程中的安全[4]。雙重認證的內容主要包括兩個方面：一是在整個智能家庭網絡系統中設置密匙驗證，并將這種設置遍布在每一個節點上，使信息在傳送時得以加密，保證數據信息在傳輸過程中的安全；二是在對服務器或者網絡中節點發布命令和控制之前，采用SM4算法加密信息，當信息到達接收設備時，通過密匙對其解密。這個過程對信息起到了雙重保護的作用，鞏固了智能家庭網絡系統的安全性。

5 總結

綜上所述，本文主要通過介紹智能家居網絡的特點、智能家居網絡的整體設計，并根據這些內容和特點具體探討了智能家居網絡應當如何實現以及針對家居網絡中所出現的安全狀況的解決措施，以提高整個智能家居網絡的安全性，使智能家居網絡在今后的生活中得到廣泛的應用，得到更好的發展。

[1]張振東，賴曉風. 智能家居網絡實現及其安全性研究[J]. 軟件導刊，2016，14（9）：119-120.

[2]胡向東，韓愷敏，許宏如. 智能家居物聯網的安全性設計與驗證[J]. 重慶郵電大學學報（自然科學版），2016，26（2）：171-176.

[3]傅率智. 智能家居安全網絡的一種新結構[J]. 中國高新技術企業，2016（8）：9-10.

[4]夏平. 智能家居系統安全性方案的設計[J]. 電腦知識與技術，2016，12（17）：179-181.

Research on the Realization and Security of Smart Home Network

Yang Nanyan Feng Jinru Zhang Yanhong Hong Jiajun

School of Information Engineering, Putian University, Fujian Putian 351100

With the continuous development of China’s science and technology, more and more intelligent products are coming out. The realization of smart home network is an inevitable trend of today’s social development. At the same time, there are many shortcomings in the security of smart home network. The realization of the smart home network and its security are discussed in order to promote the realization of the smart home network and make a modest contribution to the improvement of the smart home network security system.

smart home;network; network security; Bus protocol; application program

TU855

A

楊南燕（1996—），女，福建莆田人，莆田學院信息工程學院通信14級學生。E-mail：877634630@qq.com。馮錦如（1995—），女，福建福州人，莆田學院信息工程學院通信工程14級學生。張艷紅（1996—），女，福建平潭人，莆田學院信息工程學院計科15級學生。洪家軍（1979—），男，湖北公安縣人，副教授，研究方向為網絡安全與應用。