采用RC4和RSA混合加密方式實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制功能

作者：陳鈺琨；馬忠梅；曾禮

隨著科技的不斷的發(fā)展，以及人們對(duì)于高科技產(chǎn)品的依賴(lài)，智能可穿戴設(shè)備逐步的發(fā)展起來(lái)，走進(jìn)了人們的日常生活。智能手表、智能眼鏡的問(wèn)世為智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展帶來(lái)了新的方向，Android系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)中。為了使智能可穿戴設(shè)備更好的與手機(jī)相互配合，滿(mǎn)足于人們的需求，本文研究了藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)了具有遠(yuǎn)程控制功能的應(yīng)用程序。由于通過(guò)藍(lán)牙傳送的數(shù)據(jù)能夠被追蹤竊取到，發(fā)送數(shù)據(jù)的安全性也尤為重要，通過(guò)比較本文采用RC4和RSA混合加密方式對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。為了適應(yīng)不同品牌的智能手表，首先實(shí)現(xiàn)了在手機(jī)之間的遠(yuǎn)程控制功能。程序應(yīng)用在手表上時(shí)，只需對(duì)顯示界面的長(zhǎng)寬比例根據(jù)手表的分辨率進(jìn)行修改，即可滿(mǎn)足功能性的需求。

1 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

1.1 Android設(shè)備間建立藍(lán)牙連接

實(shí)現(xiàn)通過(guò)藍(lán)牙的遠(yuǎn)程控制，最基本的操作是要先建立設(shè)備之間的藍(lán)牙連接，Android SDK提供了功能完善的API，通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)的API能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)附近藍(lán)牙設(shè)備搜索、返回遠(yuǎn)程設(shè)備的硬件地址、建立連接、斷開(kāi)連接等工作。藍(lán)牙連接的建立主要分為以下兩個(gè)步驟：

（1）搜索附近藍(lán)牙設(shè)備

BluetoothAdapter 類(lèi)中提供了本地藍(lán)牙適配器的接口，所有的藍(lán)牙交互都是從此API開(kāi)始的，主要功能有開(kāi)關(guān)藍(lán)牙設(shè)備、掃描藍(lán)牙設(shè)備、設(shè)置或獲取藍(lán)牙狀態(tài)值、獲取藍(lán)牙名稱(chēng)、獲取藍(lán)牙Mac地址等。調(diào)用enable（） 方法打開(kāi)本地的藍(lán)牙，然后調(diào)用startDiscovery（）搜索附近設(shè)備，將所有搜索到的藍(lán)牙地址存儲(chǔ)在列表中。通過(guò)獲得的遠(yuǎn)程藍(lán)牙設(shè)備的地址，實(shí)例化一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備的語(yǔ)句如下：

BluetoothDevice device =BluetoothAdapter .getRemoteDevice（address）

（2）建立藍(lán)牙連接

建立藍(lán)牙連接的過(guò)程中的兩個(gè)設(shè)備，分別充當(dāng)了Server和Client。對(duì)于Server端通過(guò)UUID來(lái)創(chuàng)建一個(gè)BluetoothServerSocket來(lái)收聽(tīng)來(lái)自其他設(shè)備的連接請(qǐng)求，當(dāng)有遠(yuǎn)端設(shè)備發(fā)來(lái)建立連接的請(qǐng)求，對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的連接。在程序中使用如下語(yǔ)句：

BluetoothServerSocket mmServerSocket = mAdapter.listenUsingRfcommWithServiceRecord（NAME_SECURE， Y_UUID_SECURE）;

對(duì)于Client端， 使用第1步中實(shí)例化的藍(lán)牙設(shè)備BluetoothDevice，通過(guò) UUID創(chuàng)建一個(gè)BluetoothSocket， 發(fā)送連接請(qǐng)求，與Server端建立連接， 來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，在程序中使用如下語(yǔ)句：

BluetoothSocket mmSocket = device.createRfcommSocketToServiceRecord（MY_UUID_SECURE）;

Server端BluetoothServerSocket代表一個(gè)打開(kāi)服務(wù)器套接字偵聽(tīng)傳入的請(qǐng)求，類(lèi)似于一個(gè)TCP SeverSocket，當(dāng)連接建立成功后，調(diào)用BluetoothServerSocket接口的 accept（）方法，返回一個(gè)BluetoothSocket對(duì)象。BluetoothSocket用來(lái)代表一個(gè)藍(lán)牙套接字，這個(gè)套接字類(lèi)似于 TCP套接字。這是應(yīng)用程序的連接點(diǎn)，通過(guò)此接口可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。調(diào)用BluetoothSocket接口中的方法，得到輸入輸出流，在應(yīng)用程序中向輸出流中寫(xiě)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的發(fā)送，從輸入流讀數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的接收。

1.2 自定義藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制協(xié)議

Android系統(tǒng)上藍(lán)牙的連接過(guò)程通過(guò)以上的兩步即可建立完成，在應(yīng)用中對(duì)于藍(lán)牙使用僅僅限于數(shù)據(jù)的傳送，對(duì)于數(shù)據(jù)的內(nèi)容并不關(guān)心。然而這并不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，用戶(hù)更期望通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。當(dāng)前藍(lán)牙發(fā)送的數(shù)據(jù)并沒(méi)有對(duì)內(nèi)容進(jìn)行考慮，僅僅是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳送，如果想實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的遠(yuǎn)程控制，那么就需要自定義發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？刂?a target="_blank">信息和普通數(shù)據(jù)信息均通過(guò)藍(lán)牙在設(shè)備之間進(jìn)行傳送，若想對(duì)控制信息和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行區(qū)分，就要在已有的發(fā)送數(shù)據(jù)的首部，添加頭結(jié)點(diǎn)，設(shè)置頭結(jié)點(diǎn)占用1字節(jié)的存儲(chǔ)空間，作為控制位標(biāo)識(shí)，用來(lái)標(biāo)識(shí)傳遞信息的類(lèi)型。1 字節(jié)的頭結(jié)點(diǎn)最多可以標(biāo)識(shí)出256種不同的信息類(lèi)型，在現(xiàn)階段的使用過(guò)程中能夠滿(mǎn)足需求，當(dāng)然如果控制類(lèi)型增加，只需增加控制位的位數(shù)。定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

本應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制另一部手機(jī)進(jìn)行圖片預(yù)覽以及拍照功能。因此發(fā)送信息分為兩類(lèi)，一類(lèi)發(fā)送的是圖像的數(shù)據(jù)信息，在Android程序中定義控制位為：

private static final byte DATA =（byte） 0;

另一類(lèi)是拍照指令，在Android程序中定義控制位為：

private static final byte TAKE_PHOTO = （byte）1;

如果欲實(shí)現(xiàn)更多的控制功能，可以自定義更多的控制位類(lèi)別，在程序進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)更多的控制功能。

當(dāng)Sever端收到數(shù)據(jù)以后，對(duì)于數(shù)據(jù)的頭結(jié)點(diǎn)進(jìn)行判斷。通過(guò)判斷控制位的類(lèi)型來(lái)區(qū)分出是數(shù)據(jù)信息還是控制信息，返回給主函數(shù)對(duì)其響應(yīng)。如果接收到的數(shù)據(jù)包為數(shù)據(jù)信息，則調(diào)用圖像顯示功能，將接收的圖片顯示出來(lái)。如果收到的數(shù)據(jù)的是拍照指令，即可調(diào)用拍照功能模塊，將拍攝的照片進(jìn)行存儲(chǔ)。

2 加密模塊設(shè)計(jì)

雖然自定義的藍(lán)牙數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足了人們通過(guò)藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制的需求，然而卻也存在著一定的安全性問(wèn)題。在實(shí)際生活中，環(huán)境比較復(fù)雜，無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)?a target="_blank">信號(hào)能夠被他人通過(guò)一些工具監(jiān)測(cè)并且竊取到。如果當(dāng)用戶(hù)傳送的圖片信息被他人截取，用戶(hù)的隱私就會(huì)被輕松的獲取到。然而這并不算最危險(xiǎn)的，如果在程序中添加了很多控制信息，控制信息被他人截取并且掌握后，那么可能就會(huì)導(dǎo)致手機(jī)被他人控制，這將給用戶(hù)帶來(lái)更大的損失。

為了保證信息的安全性，需要對(duì)藍(lán)牙發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密操作。數(shù)據(jù)的加密一般要經(jīng)過(guò)復(fù)雜加密算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而對(duì)于手機(jī)而言，運(yùn)算效率不是很高，而且若要實(shí)時(shí)的預(yù)覽遠(yuǎn)程設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，也就意味著要在極短的時(shí)間內(nèi)，加密和解密大量的數(shù)據(jù)，那么加密算法的加密效率更加關(guān)鍵。

文獻(xiàn)4通過(guò)使用一種基于AES和RSA的混合加密算法來(lái)保證藍(lán)牙通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)安全。AES算法以其在塊加密高效的特點(diǎn)應(yīng)用與藍(lán)牙通信的數(shù)據(jù)信息加密上，RSA算法在秘鑰管理上比較有優(yōu)勢(shì)，能夠有很高的安全性，因此用來(lái)加密AES的秘鑰信息。

文獻(xiàn)5比較了RC4 和AES對(duì)于設(shè)備CPU時(shí)間占用、內(nèi)存消耗以及電池電量的消耗進(jìn)行了分析對(duì)比，得出了RC4更適合于大數(shù)據(jù)包的加密，而AES更適合于小數(shù)據(jù)包的加密。

經(jīng)過(guò)多方面的綜合比較，本文采用RC4和RSA混合加密的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。利用RC4在大數(shù)據(jù)包加密速度快的優(yōu)勢(shì)，首先對(duì)數(shù)據(jù)使用RC4進(jìn)行加密。由于RC4加密算法相對(duì)簡(jiǎn)單，其安全性上也存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)，為了把這種風(fēng)險(xiǎn)降低，采用混合加密的處理方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。RC4加密算法加密完數(shù)據(jù)信息后，進(jìn)行第二次加密，加密RC4的秘鑰信息。由于RC4秘鑰的長(zhǎng)度比較短，可以采用運(yùn)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜但是安全性非常高的RSA加密算法。整個(gè)的加密過(guò)程如圖1所示。

圖 1數(shù)據(jù)加密過(guò)程

加密的過(guò)程主要分為兩步：

第一步，對(duì)于原始數(shù)據(jù) Original Message用RC4秘鑰來(lái)進(jìn)行加密。

第二步，對(duì)于RC4秘鑰使用RSA進(jìn)行加密，保證了此秘鑰在數(shù)據(jù)傳輸安全性。防止了信息被截取后，容易分析出RC4秘鑰內(nèi)容的風(fēng)險(xiǎn)。

解密過(guò)程如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)解密過(guò)程

解密過(guò)程同樣分為兩個(gè)步驟，當(dāng)應(yīng)用程序收到發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)后，第一步讀取RC4秘鑰部分，通過(guò)RSA的私有秘鑰進(jìn)行解密，還原RC4秘鑰。第二步，使用RC4秘鑰對(duì)數(shù)據(jù)部分進(jìn)行解密，還原出圖像信息。

掌握了RC4加密算法和RSA加密算法后，即可實(shí)現(xiàn)混合加密算法。對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行混合加密，保證用戶(hù)數(shù)據(jù)的安全性。

最終寫(xiě)入藍(lán)牙輸出流中的數(shù)據(jù)主要包含3部分，如下所示：

第一部分，數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，在Android程序中，為了將連續(xù)發(fā)送的圖片的信息，每一幀識(shí)別出來(lái)，還需要在頭部添加一個(gè)數(shù)據(jù)信息長(zhǎng)度。以便在數(shù)據(jù)被接收到后，能夠確定所要讀取的字節(jié)數(shù)。

第二部分是RC4秘鑰，這部分中RC4的秘鑰是被RSA所加密后的結(jié)果，能夠保證RC4的秘鑰再被竊取到后也不能夠直接使用，在當(dāng)今計(jì)算機(jī)的運(yùn)算效率下，還不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)RSA加密算法的破解。

第三部分是經(jīng)RC4加密的數(shù)據(jù)信息。來(lái)自上層的應(yīng)用程序欲發(fā)送的未加密的數(shù)據(jù)到了此模塊，要進(jìn)行RC4加密。信息中保存著所有的用戶(hù)操作的信息。這部分的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是根據(jù)情況來(lái)分配。如果是控制信息，那么信息長(zhǎng)度會(huì)非常短。如果是圖片數(shù)據(jù)，那么信息長(zhǎng)度會(huì)比較長(zhǎng)。這個(gè)長(zhǎng)度信息由第一部分的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行記錄。

3.藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制拍照程序設(shè)計(jì)

本程序是在基于Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)上構(gòu)建的一個(gè)遠(yuǎn)程控制程序。程序中包括著藍(lán)牙連接的建立、藍(lán)牙數(shù)據(jù)的編碼與傳送、數(shù)據(jù)加密3部分。實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)顯示另一部手機(jī)端攝像頭采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)擊程序中的拍照鍵即可控制手機(jī)進(jìn)行照片的拍攝。程序的流程圖如圖3所示。

圖3藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制程序流程圖

3.1 建立藍(lán)牙連接

創(chuàng)建DeviceListActivity類(lèi)用于藍(lán)牙設(shè)備的搜索，返回選擇的藍(lán)牙設(shè)備的名稱(chēng)和地址。

其功能流程如圖4所示。

圖4藍(lán)牙連接建立流程圖

通過(guò)搜索設(shè)備功能可獲得周?chē)梢?jiàn)的藍(lán)牙設(shè)備信息，以列表的形式顯示所有搜索到的設(shè)備。用戶(hù)根據(jù)需要，選擇所要連接的設(shè)備，DeviceListActivity類(lèi)返回設(shè)備的名稱(chēng)以及MAC地址。

3.2 藍(lán)牙數(shù)據(jù)的編碼

根據(jù) DeviceListActivity返回的遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備的名稱(chēng)和地址，調(diào)用Bluetooth API建立藍(lán)牙設(shè)備的連接，當(dāng)連接建立完成后，便進(jìn)入到了主功能模塊。

首先在onCreat（）函數(shù)中，完成了參數(shù)的初始化工作，初始化發(fā)送標(biāo)志位SendFlag = 0，在此狀態(tài)下，應(yīng)用程序處于接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。攝像頭停止采集圖像信息，不進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)。接著再初始化Button監(jiān)聽(tīng)事件，應(yīng)用程序中定義了兩個(gè)Button，一個(gè)Button用來(lái)控制此Activity處于發(fā)送還是接收的狀態(tài)；另一個(gè)Button用來(lái)控制是否對(duì)拍照功能予以響應(yīng)；

Activity處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，將Camera采集到的每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由于圖片比較大，藍(lán)牙發(fā)送的數(shù)據(jù)速率是有限的，為了保證接收端接收到的視頻圖像的連貫性，要對(duì)采集到的圖片進(jìn)行壓縮處理。調(diào)用Android API中 Matrix的postScale（）方法，設(shè)置縮放比例，實(shí)現(xiàn)圖片的縮放。

接下來(lái)數(shù)據(jù)部分要添加信息頭，如果是拍照的控制信息，添加第1節(jié)中設(shè)定的TAKE_PHOTO 其值為數(shù)值 1；如果是照片信息，添加 DATA其值為數(shù)值 0。通過(guò)添加信息頭，便實(shí)現(xiàn)了對(duì)于數(shù)據(jù)信息和控制信息的區(qū)分。最后進(jìn)入到下一步驟，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

3.3 數(shù)據(jù)加密

數(shù)據(jù)加密采用RC4與RSA混合加密方式，再上一節(jié)中詳細(xì)的予以闡述。數(shù)據(jù)加密的流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)加密流程圖

在接收端，線(xiàn)程一直等待藍(lán)牙發(fā)送的數(shù)據(jù)，當(dāng)讀取到數(shù)據(jù)，便根據(jù)解密的方法，依次去除加密信息。解密的順序與加密構(gòu)成逆過(guò)程。解密流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)解密流程圖

對(duì)于解密出來(lái)的數(shù)據(jù)，要對(duì)其分析判斷數(shù)據(jù)的類(lèi)型，根據(jù)自定義的藍(lán)牙數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可知，數(shù)據(jù)的第一位即為數(shù)據(jù)類(lèi)型位。進(jìn)行數(shù)據(jù)類(lèi)型判斷的主要程序如下所示：

switch（decr［0］） {

case TAKE_PHOTO：

mHandler.obtainMessage（MainActivity.MESSAGE_READ， -1，TAKE_PHOTO ， buffer）.sendToTarget（）;

break;

case DATA：

mHandler.obtainMessage（MainActivity.MESSAGE_READ， decr.length，DATA， decr）.sendToTarget（）;

break;

}

通過(guò)以上3個(gè)步驟，便實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制的功能。在實(shí)際應(yīng)用中，其中一部手機(jī)作為被控制端，實(shí)時(shí)的將照相機(jī)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到另一部手機(jī)?？刂贫藢?shí)時(shí)顯示接收到的圖像，當(dāng)需要拍攝照片時(shí)候，點(diǎn)擊拍照按鈕，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能，完成照片的拍攝，并將照片存儲(chǔ)起來(lái)。

結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了基于Android系統(tǒng)的藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制功能。極大的豐富用戶(hù)對(duì)于智能設(shè)備功能的需求。在數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程中，使用了混合加密算法對(duì)數(shù)據(jù)加密，保證了用戶(hù)數(shù)據(jù)的安全以及保證了設(shè)備不被他人控制。在方便人們生活的同時(shí)也保護(hù)了用戶(hù)的隱私。隨著智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展，智能設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙相互連接和相互控制的應(yīng)用也會(huì)比較廣泛，智能可穿戴設(shè)備的主要以搭載Android系統(tǒng)為主。本文中實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程控制拍攝照片的功能，移植到手表端，核心的程序部分均不需要改動(dòng)，在程序顯示界面部分根據(jù)不同種類(lèi)設(shè)備的分辨率進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，便能實(shí)現(xiàn)通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的功能。

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