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基于MD5算法的物联网传输模块设计

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资料介绍

依据网络智能化传感器的特点,结合TCP/IP协议通信特点,以MCF52236CAF50单片机为核心控制器,设计了一种基于物联网功能可以将模拟信号转换成数字信号的模块,同时为了保证数据传输的安全性,加入了信息-摘要(MD5)加密算法,实现了信息在物联网中的安全有效传输.

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and

124

传感器与微系统(Transducer

2017年第36卷第7期

Microsystem Technologies)

DOI：10．13873／J．1000-9787(2017)07--0124-03

基于MD5算法的物联网传输模块设计

姜

晶，张

宪，于云选，唐胜武，简荣坤

(中国电子科技集团公司第四十九研究所。黑龙江哈尔滨150001)

摘要：依据网络智能化传感器的特点，结合TCP／IP协议通信特点，以MCF52236CAF50单片机为核心控

制器，设计了一种基于物联网功能可以将模拟信号转换成数字信号的模块，同时为了保证数据传输的安全

性，加入了信息一摘要(MD5)加密算法，实现了信息在物联网中的安全有效传输。

关键词：物联网；TCP／IP；MD5；传输模块

中图分类号：TP212．1

文献标识码：A

文章编号：1000-9787(2017)07-0124-03

module based on

transmission

of Internet of

Design

things

MD5 _encryption

Xian，YU Yun—xuan，TANG

Jing，ZHANG

algorithm

JIANG

Sheng—WU，JIAN Rong—kun

Research

Electronics

Technology Group Corporation，Harbin 150001，China)

(49th

Institute，China

characteristics of TCP／IP

with

to characteristics of

sensor

network，combined

Abstract：According

protocol communication，use

which

intelligent

MCF52236CAFS0 MCU

can be converted into

as core

on loT

module

controller，based

function，design

order to ensure

of data in IoT．

security

and transmitted

network．In

through

the

digital signals

analog signals

MD5

realize transmission

module

of data

transmission，add

eneryption algorithm，and

security

words：Internet

Key

things(IoT)；TCP／IP；MD5；transmission

0引

言

：0-5V

RAM接口

过压保护模块

电源模块

随着物联网、云计算、大数据、移动互联网等技术的进

一步发展，信息领域新产品、新服务大量涌现，不断激发新

的消费需求。我国物联网产业的覆盖面日益增大，而传统

的通信手段已不能满足物联网的数据传输及云计算平台的

需要，但改造传统传感器又不切实际，因此，将模拟数据转

换成符合物联网框架结构进行数字传输的模块，即，物联网

传输模块迫在眉睫。模块可以对物联网设备进行接人和管

理，并对上提供物联网服务，其中，最重要的是将其收集的

基础信息传递给大数据平台等进行大数据处理，同时，可以

进一步推动物联网与云计算、大数据、移动互联网等新一代

信息技术的融合创新，带动物联网关键技术突破及产业规

i扯20mA；

o~5V

：和20mV

A／D模块

电源隔离模块

肚5V

；4～20mA

i：：：：：：：：：：：：：：j

I．一——一一一一一一一

议。1。，由于其含有以太网控制器以及Ethernet PHY的10／

图l物联网传输模块内部结构

ARP，IP，ICMP，UDP，TCP，DHCP，BOOTP和TFrP等协

100 Ethernet

MAC，因此降低了系统成本，减少了设计中的

组件数量，节约设计空间，有效缩小了模块体积¨ 。。

设计过程主要分为4类：感知过程、激励过程、接收过

模化发展。

程、传输过程。1)感知过程：传输模块从外界环境收集信

息，对收集的信息作模／数转换并提交给微处理单元对信息

进行处理；2)激励过程：根据从外界环境收集的信息请求，

控制系统进行数据输出，并对输出结果进行数／模转换，将

输出信号传输给激励装置，从而对外界环境产生影响；

3)接收过程：控制系统响应主机发送的命令请求或者数据

的过程；4)传输过程：主机通过通信设备发布传输模块节点

文本设计了基于物联网功能的模／数信号转换模块，并

加入了信息一摘要算法，实现了信息在物联网中I}q安全有效

‘

传输。

1硬件设计

物联网传输模块内部结构如图1所示。

微处理单元选用MCF52236CAF50作为中央处理器，

支持通过以太网收发数据，符合RFC的TCP／IP堆栈，支持

收稿日期：2017-01—19

万方数据

125

第7期

姜晶，等：基于MD5算法的物联网传输模块设计

的当前状态信息，传输被请求数据给征订者。通过上述

4个过程，实现了模块的主要功能，即对外部环境数据收

|jlfj+ti)《《s)；

HH(n，b，c，d，尬，s，ti)表示Ⅱ=6+(o+(H(b，c，d)-4-

肘，+ti)《《s)；

II(口，b，c，d，Mi，s，ti)表示o=6+(n+(，(b，c，d)+尬+

“)《《s)。

发，并将动态采集的数据打包成标准数据进行发送。

2软件设计

软件设计主要包括初始化、A／D转换、数据处理、打

包加密、以太网驱动以及数据传输等模块。其中，数据

帧的打包封装，以及数据的加密处理在传输过程中尤为

重要。是保证网络信息安全传输的最主要手段之一。

因此，设计采用MD5算法对TCP／IP传输协议的数据进

行加密处理。

主循环共4四轮，每轮中唯一一个函数进行16步操

作，共64步，文献[4]详细介绍了4轮操作的具体算法。操

作完成后，在A，B，C，D变量上分别加上o，b，c，d。然后用

下一分组数据继续运行算法，最后输出的是A，B，C和D的

级联。其逻辑图如图2所示。

2．1

MD5加密算法

MD5是一种迭代型强加密单向散列函数。输入2个

不同的明文不会得到相同的输出值；根据输出值，不能得到

原始的明文，即其过程不可逆。因此，要解密MD5没有现

成的算法，只能用穷举法，将可能出现的明文，用MD5算法

散列之后，将得到的散列值和原始的数据形成一对一的映

射表，通过比对表中的散列值，找出与之相匹配的原始明

文旧。。其长度取决于所采用，MD5以512位分组来处理输

入信息，且每一分组又被划分为16个32位子分组，经过了

图2 MD5算法逻辑图

一系列的处理后，算法的输出由4个32位分组组成，将这

4个32位分组级联后将生成一个128位散列值，分别为：

A=0x01234567，B=0x89abcdef，C=0xfedcba98，D=

本文利用MD5算法对上传信息进行校验处理，如果信

息被篡改，其加密结果也将发生剧烈变化。设计时将传输

的每一帧数据以MD5值的方式保存，即检查两个字节数组

经过同一个算法后，结果是否一致：如果源一致，则结果必

定一致，但如果任何一个字节不一致，其结果就相差很远。

0x76543210，将这4个链接变量复制到另外4个变量中：

A到o，B到b，C到c，D到d‘4o。第1轮循环包括16次操

作，每次操作对o，b，c和d中的3个变量作1次非线性函

数运算，然后将所得结果加上第4个变量、信息的1个子

分组和1个常数。将所得结果向左循环移位一个随机的

数位，并加上o，b，c或d中的一个变量。最后该结果存入

Ⅱ，b，c或d之一变量中。以下为每次操作中用到的4个非

线性函数

进行数据传递时，将传输秘钥计算成值，然后再和系统中保

存的值进行比较，而传输过程中数据自身的值并没有进行

传递，从而保证了数据的安全传输。

2．2数据结构针设计

TCP／IP协议族共分4层，按照层次由上到下，层层包

装。第3层是网络层，IP协议就在这里，负责向数据添加

IP地址和其他数据以确定传输目标。第4层是数据链路

层，该层为待传送的数据加人一个以太网协议并进行校验

编码，为最终的数据传输做准备。数据链路层的最底层是

硬件层，负责网络的传输，该层定义网线的制式。读取数据

时，发送协议的主机从上至下将数据按照协议封装，而接收

数据的主机则按照协议解开数据包，最终获取需要的数

据。5 o。

F(X，Y，Z)=(X&Y)l((～x)&z)

G(X，Y，Z)=(X&Z)l(y&(～z))

H(x，l，，Z)=x“Y6Z

，(x，y，Z)=y“(xl(一z))

函数F，G，H，，设计：如果x，y和z对应位是独立和均

匀的，F(x，y，z)，G(x，y，z)，H(x，y，z)，，(x，l，，z)的

每l位也应是独立和均匀的。函数，按逐位方式操作：如

果x，那么y，否则Z。函数H是逐位奇偶操作符。设M，表

示信息的第j个子分组(0 j 15)，《《s表示循环左移s

为了符合物联网通信规则，采用符合TCP／IP协议建

立架构相关接口标准，将接口信息严格按照图3所示的协

议报文结构进行定义，并将其固化到物联网传输模块中，

统一分配唯一的标记属性，从而保证了应答的唯一性和有

效性。

sin

位，常数ti一般取232× I

则4种操作为：

I的整数部分，1 i 64，md。

FF(Ⅱ，b，c，d，M，，s，ti)表示o=6+(o+(F(b，c，d)+

Mi+ti)《《s)；

协议报文的结构对于TCP／IP协议栈文件与协议主要

文件的对应关系。6o，如图4所示。

GG(o，b，c，d，M，，5，ti)表示Ⅱ=6+(tl,+(G(b，c，d)+

万方数据

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