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基于非对称方式的物联网通信协议

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资料介绍

物联网节点由于有限的尺寸和能量,其计算能力和存储空间一般会受到限制.为此,采用非对称方式,提出一种新的物联网通信协议.通过物联网节点与就近的服务器之间建立通信链路的方式,将原本由单一物联网节点执行的任务,转换为节点和服务器协作执行,将任务负载量在节点和服务器两端进行非对称分配,由服务器执行较高复杂度的运算,从而减少在节点端进行数据运算的能量消耗,满足物联网元件的节能需求.仿真结果表明,与传统的RSA加解密运算相比,利用非对称方式进行RSA加解密运算,可使物联网节点的运算时间和能量消耗减少20％以上,该协议能有效提高物联网节点的计算效率,延长节点的生命周期.

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第42卷

第2期

计算机工程

2016年2月

V01．42

NO．2

2016

Computer Engineering

February

· 移动互联与通信技术·

文章编号：1000-3428(2016)02-0113-05

文献标识码：A

中图分类号：TP393

基于非对称方式的物联网通信协议

何泾沙，潘力斌

(北京工业大学软件学院，北京100124)

摘

要：物联网节点由于有限的尺寸和能量，其计算能力和存储空间一般会受到限制。为此，采用非对称方式，提

出一种新的物联网通信协议。通过物联网节点与就近的服务器之间建立通信链路的方式，将原本由单一物联网节

点执行的任务，转换为节点和服务器协作执行，将任务负载量在节点和服务器两端进行非对称分配，由服务器执行

较高复杂度的运算，从而减少在节点端进行数据运算的能量消耗，满足物联网元件的节能需求。仿真结果表明，与

传统的RSA加解密运算相比，利用非对称方式进行RSA加解密运算，可使物联网节点的运算时间和能量消耗减少

20％以上，该协议能有效提高物联网节点的计算效率，延长节点的生命周期。

关键词：物联网；非对称方式；通信协议；负载分配；协作计算；RSA加解密

中文引用格式：何泾沙，潘力斌．基于非对称方式的物联网通信协议[J]．计算机工程，2016，42(2)：113—117．

Libin．Communication Protocol for Internet of

Based on

英文引用格式：He

Jingsha，Pan

Things

Asymmetric Mode[J]

Computer Engineering，2016，42(2)：113—117．

for

Communication Protocol

Internet of

Based on

Mode

Things

Asymmetric

Libin

Jingsha，PAN

of Software

001

(School

Engineering，Beijing University

Technology，Beijing

24，China)

the limited

size and

and

of Intemet of

【Abstract】Due

energy，the computing power

and

designs

storage space

Things(IoT)nodes

are

limited．For this

a kind of loT

communication

based on

protocol

always

problem，this paper proposes

mode．The

establishes the communication link between loT nodes and nearest

transforms

asymmetric

protocol

server，and

between node and server．The

compute protocol

the task which is

executed

node to

originally

by single

asymmetrically

distributes between node and

the server a more

reduces the

calculation，thus

server，and assigns

complex

realizes the demand of IoT nodes．Simulation

energy—saving

energy

results show that

mode can reduce the

significantly

nodes，and

encryption

consumption

with

calculating

traditional

RSA

and

compared

operations，the

asymmetric

decryption

calculate time and

is about 20％．The

in this

paper

effectively improves

energy consumption，the range

protocol proposed

the

the life

nodes．

computation

efficiency，and prolongs

【Key words】Intemet

Things(IoT)；asymmetric mode；communication protocol；load distribution；collaborative

and

computing；RSA encryption

decryption

DOI：10．3969／j．issn．1000—3428．2016．02．021

物与物之间实现信息交互，实现物品的自动识别、监

控地位和远程管理¨ 。。

概述

物联网概念是由美国麻省理工学院于1999年

由于受限于自身有限的尺寸和厚薄要求，无线传

首次提出。狭义的物联网指的是“物一物相连的互联

网”。这里相连的主体既包括物品到物品，也包括物

品到识别管理设备。广义的物联网指的是信息空间

和物理空间的融合，也就是虚拟与现实的融合，把所

有的物体和事件数字化、网络化，在人与人、人与物、

感器等物联网元器件一般仅包含一块小容量电池，且

MHz一32

节点处理器一般只有8／16 bit和4

处理能力，Flash大小一般小于128 KB，RAM大小一

般小于8

MHz的

KB旧。。这种条件约束了传感器节点的能力

和寿命，受限了其计算能力和存储空间。由于这些条

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61272500)；山东省高等学校科技计划基金资助项目(J14LN80)；北京市自然科学基金资助项目

(4142008)。

作者简介：何泾沙(1961一)，男，教授、博士，主研方向为网络通信；潘力斌，硕士研究生。

收稿Et期：2015-03-06

修回日期：2015-03-31

E-mail：．edu．ca

万方数据

2016年2月15

计算机工程

件，在物联网中采取通信传输协议时，必须使协议适

应物联网元器件低功耗、低配置等特点。对此，研究

者们进行了深入的研究工作，并取得了一定的成果。

耗或者高计算量的任务，部分或完全分配到与其对

应的服务器上，借助服务器强大的计算能力，减轻节

点上的计算负载，并以此减少任务的执行时间，延长

物联网节点的使用寿命。同时，借助协作服务器丰

富的资源优势，物联网节点也可以提升任务执行结

果的质量。

Internet

Task

如互联网工程任务组(The

Engineering

Force，IETF)在2004年成立了6LoWPAN工作组，其

主要目标是设计一种以IEEE 802．15．4为底层传输标

准，以及基于IPv6协议的无线传感器网络标准，其研

究重点为数据分片、报头压缩、网络管理和数据接人

等技术一；在国内，我国推出了强制性的无线局域网

在该过程中，非对称特性主要体现在节点和传

感器之间的关系上。通过此协议，物联网节点将一

个本应完全在其上执行的任务分配给了与之对应

的协作服务器上，让服务器执行主要的计算负载，

从而产生了节点与协作服务器之间的计算负载非

对称关系通过这一方式，避免了为了适应节点特

征而进行的协议裁剪，从而防止了由于协议功能的

LAN

Authentication

鉴别和保密基础结构(Wireless

and

Privacy Infrastructure，WAPI)标准，它是一种轻量

化的无线通信协议标准，采用了安全传输技术，具有

更高的安全和技术优势，同时也拥有更小的协议体

积”；2008年10月，Cisco，ATMEL和SICS等公司发

布了ulPv6协议，其最大的特点是体积小，并能够支持

缺失导致的问题。只需对现有的通信协议进行部

分扩展，即可实现服务器和节点两端使用同一种协

议进行数据通信，实现节点端任务负载的非对称

计算。

6LowPAN和IEEE

802．15．4标准’；文献[6]根据传

统IPv6协议以及传感网协议的特点，研究提出了一种

通过删除邻居表中的链路层地址信息和目的地址缓

存表，以精简地址解析流程的协议；文献[7]于2012年

提出了通过压缩IP协议版本号、流分类等冗余字段信

息进行协议的精简。这些工作都为物联网通用协议

的制定奠定了基础：

对物联网节点来说，由服务器协助执行计算负

载的前提是节点能够在其网络或传输范围内，搜索

到合适的服务器，并且建立有效的通信连接进行数

据传输。

2．2任务负载转移策略

通过对以上研究成果进行总结可以得知，目前

对物联网协议进行更改的方式主要有2种：(1)如

当物联网节点接收到新的计算任务时，通过非对

称协议进行如图1所示的任务数据量分配和计算。

over Low

Wireless Personal

6LoWPAN(IPv6

power

任务

接收所有中间结果执行最终结果

Area

Networks)等工作组基于节省传输中的能量消

耗目的，通过压缩IPv6等协议的信息报头，实现对

信息传输过程中的简化“9；(2)从无线传感器低存

储空间和低内存的特点出发，通过精简现有协议，去

除协议中不必要的部分，而只保留协议中必需的功

能，使协议在适应硬件环境的前提下，节省不必要功

能的能量消耗。1‘，

图1任务协作计算过程

但是，这些措施虽然能够达到节能的目的，却是

以丢失正常IP网络协议的功能为代价的。对IP协

议功能完整性的破坏可能会导致信息在传输过程中

的安全漏洞，或是其他未知的问题。因此，在物联网

在进行任务负载调度之前．物联网节点首先需

要确定要进行任务转移的服务器对象。服务器的选

择采取就近原则，即寻找节点网络范围内最近的服

务器设备，以保证负载分配过程中通信链路的稳定

性和可靠性，减少数据丢包现象，同时也能缩小数据

交换过程中的时延，减少应用执行的时间。此搜寻

过程算法描述如下：

节点协议制定方面，还需要在现有的研究成果的基

础上，进行更深入的研究。

本文对非对称通信协议的思想进行系统描述，

提出物联网节点负载协作计算策略，建立一个由物

算法协作服务器查找算法

if(任务处理量过大){

联网节点客户端和服务器组成的协作计算模型。

while(查找服务器资源信息表)；

i己录各个服务器信息：

非对称通信传输协议

2．1非对称通信思想

if(存在满足条件服务器)then

发送计算负载内容至服务器；

else拒绝负载转移；

鉴于压缩或剪裁协议所带来的局限性，本文从

规避这些传统方式出发，提出非对称通信协议。其

核心思想是，通过将物联网节点上需要进行的高能

万方数据

115

第42卷第2期

何泾沙，潘力斌：基于非对称方式的物联网通信协议

在与服务器建立高效路由之后，物联网节点首

用率，节点此时并不立即向服务器发送重发请求，

而是在连续收到几个报文段后再向服务器请求重

发相应序列号的中间结果，直至接收到所有中间结

果为止。

先通过非对称通信链路，将自身的所有初始计算数

据交换至服务器端，服务器端利用自身资源优势按

顺序进行任务计算并将中间结果逐步传递给节点，

在节点获取最后一个中间结果后，断开与服务器的

(3)时间超时控制及计算结束判断。协议为通

信双方设定了超时时间，用于进行时间溢出的控制。

如果节点方在规定的溢出时间内仍未收到中间结果

信息，则会要求服务器方重新进行数据发送。当节

点方发送多次重传请求后，仍未收到请求数据，则可

认为服务器端已完成所有中间结果的计算和传输，

也意味着计算过程已经完成：此时，节点方可断开

与服务器之间的联系，服务器端关闭连接，协作计算

过程结束。后续的计算工作则在节点端完成，其主

要内容是对所有中问结果数据进行综合计算，得到

最终的处理结果。

连接，然后对所有中间结果进行综合分析，产生最终

结果并进行响应，一个完整的转移计算任务就此结

束。在下次任务到来之时，节点继续按照以上步骤

进行任务负载的协作计算。

3非对称协议设计

由以上分析可知，为了实现非对称性转移计算

的功能，有必要对现今的协议进行改进，并在协议的

包头中添加相应的转移信息。在负载转移之前，协

议首先在物理层收集节点工作负载信息，作为是否

需要进行负载转移的决策依据，随后按照负载转移

策略进行转移计算。非对称计算协议的核心部分阐

述如下：

4实验结果与分析

现实中一个典型的非对称性通信协议的应用，

可以是由无线传感器节点和服务器组成。为了保证

(1)在协议中添加节点及服务器地址的对应信

息，作为数据传输双方的目标地址。当节点在网络

范围内成功搜寻到服务器并与之建立较好的通信链

路之后，节点与服务器之问进行必要的“握手”过程。

通过“握手”，双方交换IP地址信息，并将其加入协

议的地址清单当中，以便为后续的结果数据传输提

无线传感器节点和服务器之间信息的安全性，防止

中间人攻击，它们之问采用安全套接层(Secure

Sockets

Layer，SSL)方式进行传输，并以RSA算法

进行密钥置换。众所周知，对数据进行RSA加密需

要大量的数据计算和能量消耗，其中，信息的解密要

比加密更为复杂，也需要消耗更多的能量。因此，当

传感器端需要进行数据的解密运算时，会消耗大量

的能量，而传感器作为一种无源元件，这种能耗是对

供支撑。由于服务器可与多个节点进行协同计算，

因此在协议中添加每个节点的地址信息是服务器进

行特定节点的任务计算及计算结果精准传输的必要

保证。

其续航能力的考验二本文通过在传感器端进行传统

RSA加密运算和非对称性RSA加密运算能量消耗

(2)计算结果传输可靠性保证。由于节点硬件

受限，削弱了其通信能力，因此服务器在进行中间结

果传输的过程中，可能发生数据丢失的现象，从而导

致转移计算的失败。为了解决这个问题，需要对协

议进行适当修改，即在协议报头中加入表示序列号

字段Serial的值作为此次中间结果的唯一标识信息，

且相邻的通信过程序列号连续。节点在接收到由服

务器发送的带有序列信息的数据后，提取序列号信

息并记录到Seriallnfo表中，Seriallnfo表的数据结构

如下：

的对比，验证后者在延长无线传感器等物联网节点

使用寿命方面的可行性和有效性。

4．1传统RSA加解密算法

一个简单的传统IPsec通信模型可以由一个客

户端和一台SSL服务器组成，它们之间的链路建立

过程如图2所示“÷

客户端

服务器

业型型!!

cipher-spe州。· !!型!!型!!

struct

typedef

SeriallnfoEntry{

获取服务器公钥。t—垄型型塑堕!i!一。徊船r-sp8@^

发送客户公钥

uintl6-typeaddr；／／记录数据包的源地址，即协作服务

．1垄鲎壁堑矍坌塑

／／器地址

uintl

x=R{O，1}“

坌塑銮堡

serial；

／／记录节点获取到的序列号信息

6一type

；：!蔷二翟

堕坠焦星：x。：o贝,a工(m“od^n；

／／serial值

}((package))Seriallnfo；

Rs佩钥解密黼。燮旦腩霎鬻簧密得

图2传统IPSec

节点将此次序列信息与上一次记录信息进行

对比后，若发现序列号记录不连续，则说明两者之

间丢失了对应的中间结果，并记录中间结果的序列

号。但为了节约节点能量，以及提高网络资源的利

· ——墼塑篮塑一发送RsA_数公_据钥加密

RSA加解密算法

其数据交换过程如下：

万方数据

116

计算机工程

2016年2月15日

(1)客户端发送“Client Hello”消息将加密算法、

p(n)=(P—1)(q—1)互素。

密钥交换算法、随机数r，等信息发送给服务器。

(2)服务器接收信息，并将“Server Hello”消息

通知给客户端j消息中包含认证证书及RSA公钥

信息，并产生随机数r。。

3)计算d=e“mod(妒(iv／))，以及d。=dmod(P

一1)和d。=dmod(q—1)，并对其进行多项式展开，

得到：

d。=(d e¨ +dl!Pl!+ +dl★el^)mod(p一1)

dd=(d!lP2 l+d!：e2 1+ +d2女e2★)mod(q一1)

通过以上公式得到双方使用的公钥串(N，e。，

e ，，e ，P：I，eM，，e2女)，以及私钥串(N，d11，

dl 2，，dl^，d!I，d!!，，d!})。

(3)客户端验证服务器的证书合法后，随机生成

48位的预主密钥X，将其用RSA公钥加密后传递给

服务器端进行公钥交换。同时，客户端用哈希函数

八z，r。■)计算生成主密钥k，并通过finished消息

发送给服务器端。

4)利用以上密钥进行数据加密，其过程是，首先

通过公式C=M。modN计算得到C，其中，M为明文；

(4)服务器端用RSA私钥解密交换信息，取得

预主密钥X，并用同样的哈希函数f(X，r。一)计算

并与finished中的k进行比较，若相同，则说明协商

成功。

然后生成密文向量z=(z ，z ，，z¨ ，z2．I，z2．2，，

z，。)，其中，z，，=C。jmodN。随后将该密文向量发送

至节点客户端以供后续解密工作。

此时，客户端有一对密钥，服务器也有一对密

钥。服务器需要先用自己的私钥对内容进行加密

然后再进行发送：接收到服务器发送的数据后，客

户端节点通过公式M=C“mod(N)对RSA加密数

通过以上步骤，加密方完成了解密方的许多计

算负载，并且以向量形式进行加密数据传输也适应

了节点端带宽较小的特征，加密数据可以分包逐步

进行传输，直至传输完成为止。

(2)在解密端，即节点端上进行的负载转移计算

则执行以下步骤：

024

据进行解密，其中，d为私钥，其位长一般是l

位；N为大质数P和q的乘积，其中，P和g的位长

均为5l2位，因此，对于节点解密方来说，解密过程

是一个较为耗时的过程，不符合节点客户端无源的

特征。

1)建立与服务器之间的通信连接。

2)由于节点端带宽受限，因此密文向量z需要

分包传送至服务器端，每次所传输包的内容为一个

向量元素z。，直至完成所有密文的传输。

4．2

非对称协议下RSA加解密算法

为了改善这种现状，可以运用非对称思想，将节

点的解密计算移送至加密端服务器上进行，而节点

端只负责接收加密过程中的中间数据并综合成最终

结果。

3)在服务器端．利用已有的d。，值，通过公式

M。=z,4lj—dmodp计算得出所有M。的值，以及利用

已有的畋．f值，通过公式M。=z势dmodq计算得出

所有M。，的值?随后将这些中间结果传输至节

本文算法依旧设大整数模Ⅳ为大质数P和q的

乘积，引入安全参数n和附加参数七，c作为密钥生

成算法的输入：本文算法的主要计算过程分为加密

和解密，其过程如图3所示。

点端。

★

4)在节点端，通过公式M，=兀M。，以及公式

M。=兀M。，得出M，和M，的值，并运用中国剩余

客户端

服务器

定理M=M，M，q+M。M。P(modN)计算得到明文M。

4．3结论分析

坐!!望业

‘——————————————————————————

一——，—◆

Ioher-speczpher-specs,‘

‘

对以上2种RSA加解密过程进行比较，得出了

各计算类型的次数统计结果，如表1所示。

．羔塑!三坠堕一．一cipher-sDecsjr。

坌塑童选

-Ⅳ7× q

堕坠堕星

，籍嚣翟黜)

，

C=x。(modⅣ)

表1

2种RSA加解密算法的计算次数比较

：l

J，乏J，，：．，．‘————————二生——————～：¨ =C (modⅣ)

坼2ⅡM．，

=五M．，· }—————————!!!二—!!!i——～M坛ej，：=书《)J，dd。m。oddqp

图3 基于非对称协议的RSA加解密算法

M=MpM最+MqMqp(modN)

其数据传输过程如下：

(I)在加密端，即服务器上进行下列计算：

I)产生2个互不相同且长度为n／2位的素数P

通过分析，不难发现，对于节点端来说，采用非

对称通信协议之后，进行幂运算和模运算的次数明

显减少，而加法运算则有所增加，但是对于CPU来

q。

和q，并计算N=P

2)选择与标准RSA算法相同的公钥e，其值与

万方数据

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