采用RC4和RSA混合加密方式實現(xiàn)藍牙遠程控制功能

作者：陳鈺琨；馬忠梅；曾禮

隨著科技的不斷的發(fā)展，以及人們對于高科技產(chǎn)品的依賴，智能可穿戴設備逐步的發(fā)展起來，走進了人們的日常生活。智能手表、智能眼鏡的問世為智能可穿戴設備的發(fā)展帶來了新的方向，Android系統(tǒng)廣泛的應用于智能可穿戴設備、智能手機中。為了使智能可穿戴設備更好的與手機相互配合，滿足于人們的需求，本文研究了藍牙遠程控制功能，實現(xiàn)了具有遠程控制功能的應用程序。由于通過藍牙傳送的數(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，通過比較本文采用RC4和RSA混合加密方式對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行加密。為了適應不同品牌的智能手表，首先實現(xiàn)了在手機之間的遠程控制功能。程序應用在手表上時，只需對顯示界面的長寬比例根據(jù)手表的分辨率進行修改，即可滿足功能性的需求。

1 藍牙模塊設計

1.1 Android設備間建立藍牙連接

實現(xiàn)通過藍牙的遠程控制，最基本的操作是要先建立設備之間的藍牙連接，Android SDK提供了功能完善的API，通過調(diào)用系統(tǒng)的API能夠?qū)崿F(xiàn)對附近藍牙設備搜索、返回遠程設備的硬件地址、建立連接、斷開連接等工作。藍牙連接的建立主要分為以下兩個步驟：

（1）搜索附近藍牙設備

BluetoothAdapter 類中提供了本地藍牙適配器的接口，所有的藍牙交互都是從此API開始的，主要功能有開關藍牙設備、掃描藍牙設備、設置或獲取藍牙狀態(tài)值、獲取藍牙名稱、獲取藍牙Mac地址等。調(diào)用enable（） 方法打開本地的藍牙，然后調(diào)用startDiscovery（）搜索附近設備，將所有搜索到的藍牙地址存儲在列表中。通過獲得的遠程藍牙設備的地址，實例化一個藍牙設備的語句如下：

BluetoothDevice device =BluetoothAdapter .getRemoteDevice（address）

（2）建立藍牙連接

建立藍牙連接的過程中的兩個設備，分別充當了Server和Client。對于Server端通過UUID來創(chuàng)建一個BluetoothServerSocket來收聽來自其他設備的連接請求，當有遠端設備發(fā)來建立連接的請求，對請求進行響應實現(xiàn)藍牙的連接。在程序中使用如下語句：

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

對于Client端， 使用第1步中實例化的藍牙設備BluetoothDevice，通過 UUID創(chuàng)建一個BluetoothSocket， 發(fā)送連接請求，與Server端建立連接， 來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，在程序中使用如下語句：

BluetoothSocket mmSocket = device.createRfcommSocketToServiceRecord（MY_UUID_SECURE）;

Server端BluetoothServerSocket代表一個打開服務器套接字偵聽傳入的請求，類似于一個TCP SeverSocket，當連接建立成功后，調(diào)用BluetoothServerSocket接口的 accept（）方法，返回一個BluetoothSocket對象。BluetoothSocket用來代表一個藍牙套接字，這個套接字類似于 TCP套接字。這是應用程序的連接點，通過此接口可以實現(xiàn)藍牙數(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，在應用程序中向輸出流中寫數(shù)據(jù)實現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)的發(fā)送，從輸入流讀數(shù)據(jù)，實現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)的接收。

1.2 自定義藍牙遠程控制協(xié)議

Android系統(tǒng)上藍牙的連接過程通過以上的兩步即可建立完成，在應用中對于藍牙使用僅僅限于數(shù)據(jù)的傳送，對于數(shù)據(jù)的內(nèi)容并不關心。然而這并不能滿足用戶的需求，用戶更期望通過藍牙實現(xiàn)遠程控制的功能。當前藍牙發(fā)送的數(shù)據(jù)并沒有對內(nèi)容進行考慮，僅僅是簡單的數(shù)據(jù)傳送，如果想實現(xiàn)藍牙的遠程控制，那么就需要自定義發(fā)送的數(shù)據(jù)結構?？刂?a target="_blank">信息和普通數(shù)據(jù)信息均通過藍牙在設備之間進行傳送，若想對控制信息和數(shù)據(jù)信息進行區(qū)分，就要在已有的發(fā)送數(shù)據(jù)的首部，添加頭結點，設置頭結點占用1字節(jié)的存儲空間，作為控制位標識，用來標識傳遞信息的類型。1 字節(jié)的頭結點最多可以標識出256種不同的信息類型，在現(xiàn)階段的使用過程中能夠滿足需求，當然如果控制類型增加，只需增加控制位的位數(shù)。定義的數(shù)據(jù)結構如下所示：

本應用程序?qū)崿F(xiàn)了手機通過藍牙遠程控制另一部手機進行圖片預覽以及拍照功能。因此發(fā)送信息分為兩類，一類發(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;

如果欲實現(xiàn)更多的控制功能，可以自定義更多的控制位類別，在程序進行相應的響應，即可實現(xiàn)更多的控制功能。

當Sever端收到數(shù)據(jù)以后，對于數(shù)據(jù)的頭結點進行判斷。通過判斷控制位的類型來區(qū)分出是數(shù)據(jù)信息還是控制信息，返回給主函數(shù)對其響應。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。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，將拍攝的照片進行存儲。

2 加密模塊設計

雖然自定義的藍牙數(shù)據(jù)結構滿足了人們通過藍牙遠程控制的需求，然而卻也存在著一定的安全性問題。在實際生活中，環(huán)境比較復雜，無線傳輸?shù)?a target="_blank">信號能夠被他人通過一些工具監(jiān)測并且竊取到。如果當用戶傳送的圖片信息被他人截取，用戶的隱私就會被輕松的獲取到。然而這并不算最危險的，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，那么可能就會導致手機被他人控制，這將給用戶帶來更大的損失。

為了保證信息的安全性，需要對藍牙發(fā)送的數(shù)據(jù)進行加密操作。數(shù)據(jù)的加密一般要經(jīng)過復雜加密算法來實現(xiàn)，然而對于手機而言，運算效率不是很高，而且若要實時的預覽遠程設備采集到的數(shù)據(jù)，也就意味著要在極短的時間內(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鍵。

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

文獻5比較了RC4 和AES對于設備CPU時間占用、內(nèi)存消耗以及電池電量的消耗進行了分析對比，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)過多方面的綜合比較，本文采用RC4和RSA混合加密的方式對數(shù)據(jù)進行加密。利用RC4在大數(shù)據(jù)包加密速度快的優(yōu)勢，首先對數(shù)據(jù)使用RC4進行加密。由于RC4加密算法相對簡單，其安全性上也存在著一定的風險，為了把這種風險降低，采用混合加密的處理方式對數(shù)據(jù)進行操作。RC4加密算法加密完數(shù)據(jù)信息后，進行第二次加密，加密RC4的秘鑰信息。由于RC4秘鑰的長度比較短，可以采用運算過程相對復雜但是安全性非常高的RSA加密算法。整個的加密過程如圖1所示。

圖 1數(shù)據(jù)加密過程

加密的過程主要分為兩步：

第一步，對于原始數(shù)據(jù) Original Message用RC4秘鑰來進行加密。

第二步，對于RC4秘鑰使用RSA進行加密，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)容的風險。

解密過程如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)解密過程

解密過程同樣分為兩個步驟，當應用程序收到發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，第一步讀取RC4秘鑰部分，通過RSA的私有秘鑰進行解密，還原RC4秘鑰。第二步，使用RC4秘鑰對數(shù)據(jù)部分進行解密，還原出圖像信息。

掌握了RC4加密算法和RSA加密算法后，即可實現(xiàn)混合加密算法。對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行混合加密，保證用戶數(shù)據(jù)的安全性。

最終寫入藍牙輸出流中的數(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，每一幀識別出來，還需要在頭部添加一個數(shù)據(jù)信息長度。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，在當今計算機的運算效率下，還不能夠?qū)崿F(xiàn)對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。來自上層的應用程序欲發(fā)送的未加密的數(shù)據(jù)到了此模塊，要進行RC4加密。信息中保存著所有的用戶操作的信息。這部分的數(shù)據(jù)長度是根據(jù)情況來分配。如果是控制信息，那么信息長度會非常短。如果是圖片數(shù)據(jù)，那么信息長度會比較長。這個長度信息由第一部分的數(shù)據(jù)長度進行記錄。

3.藍牙遠程控制拍照程序設計

本程序是在基于Android操作系統(tǒng)的智能手機上構建的一個遠程控制程序。程序中包括著藍牙連接的建立、藍牙數(shù)據(jù)的編碼與傳送、數(shù)據(jù)加密3部分。實現(xiàn)了通過手機實時顯示另一部手機端攝像頭采集到的數(shù)據(jù)，通過點擊程序中的拍照鍵即可控制手機進行照片的拍攝。程序的流程圖如圖3所示。

圖3藍牙遠程控制程序流程圖

3.1 建立藍牙連接

創(chuàng)建DeviceListActivity類用于藍牙設備的搜索，返回選擇的藍牙設備的名稱和地址。

其功能流程如圖4所示。

圖4藍牙連接建立流程圖

通過搜索設備功能可獲得周圍可見的藍牙設備信息，以列表的形式顯示所有搜索到的設備。用戶根據(jù)需要，選擇所要連接的設備，DeviceListActivity類返回設備的名稱以及MAC地址。

3.2 藍牙數(shù)據(jù)的編碼

根據(jù) DeviceListActivity返回的遠端藍牙設備的名稱和地址，調(diào)用Bluetooth API建立藍牙設備的連接，當連接建立完成后，便進入到了主功能模塊。

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)送標志位SendFlag = 0，在此狀態(tài)下，應用程序處于接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。攝像頭停止采集圖像信息，不進行發(fā)送數(shù)據(jù)。接著再初始化Button監(jiān)聽事件，應用程序中定義了兩個Button，一個Button用來控制此Activity處于發(fā)送還是接收的狀態(tài)；另一個Button用來控制是否對拍照功能予以響應；

Activity處于發(fā)送狀態(tài)時，將Camera采集到的每一幀數(shù)據(jù)進行處理，由于圖片比較大，藍牙發(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，要對采集到的圖片進行壓縮處理。調(diào)用Android API中 Matrix的postScale（）方法，設置縮放比例，實現(xiàn)圖片的縮放。

接下來數(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。通過添加信息頭，便實現(xiàn)了對于數(shù)據(jù)信息和控制信息的區(qū)分。最后進入到下一步驟，對數(shù)據(jù)進行加密。

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，線程一直等待藍牙發(fā)送的數(shù)據(jù)，當讀取到數(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成逆過程。解密流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)解密流程圖

對于解密出來的數(shù)據(jù)，要對其分析判斷數(shù)據(jù)的類型，根據(jù)自定義的藍牙數(shù)據(jù)結構可知，數(shù)據(jù)的第一位即為數(shù)據(jù)類型位。進行數(shù)據(jù)類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;

}

通過以上3個步驟，便實現(xiàn)了遠程控制的功能。在實際應用中，其中一部手機作為被控制端，實時的將照相機采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到另一部手機?？刂贫藢崟r顯示接收到的圖像，當需要拍攝照片時候，點擊拍照按鈕，即可實現(xiàn)遠程控制的功能，完成照片的拍攝，并將照片存儲起來。

結語

本文實現(xiàn)了基于Android系統(tǒng)的藍牙遠程控制功能。極大的豐富用戶對于智能設備功能的需求。在數(shù)據(jù)傳送的過程中，使用了混合加密算法對數(shù)據(jù)加密，保證了用戶數(shù)據(jù)的安全以及保證了設備不被他人控制。在方便人們生活的同時也保護了用戶的隱私。隨著智能可穿戴設備的發(fā)展，智能設備通過藍牙相互連接和相互控制的應用也會比較廣泛，智能可穿戴設備的主要以搭載Android系統(tǒng)為主。本文中實現(xiàn)的遠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，在程序顯示界面部分根據(jù)不同種類設備的分辨率進行相應的調(diào)整，便能實現(xiàn)通過藍牙進行遠程控制的功能。

責任編輯：gt