本文旨在深入探討華為鴻蒙HarmonyOS Next系統（截止目前API12）在智慧家居系統安全加固中加解密技術的應用，基於實際開發經驗進行總結。主要作為技術分享與交流載體，難免錯漏，歡迎各位同仁提出寶貴意見和問題，以便共同進步。本文為原創內容，任何形式的轉載必須註明出處及原作者。
一、智慧家居系統安全現狀與風險評估
（一）安全風險
- 裝置被劫持
- 智慧家居裝置往往連線到家庭網路，如果網路安全防護不足，駭客可能入侵裝置，獲取裝置控制權。例如，智慧攝像頭被劫持後，駭客可以實時監控家庭環境，嚴重侵犯使用者隱私。 - 使用者隱私洩露
- 智慧家居系統收集和處理大量使用者資料，如使用者的日常活動習慣、偏好等資訊。如果這些資料在傳輸或儲存過程中被竊取，將對使用者隱私造成嚴重威脅。例如，智慧音響記錄的使用者語音指令可能包含敏感資訊，若洩露可能被不法分子利用。
（二）HarmonyOS Next的安全特性與優勢
- 安全隔離機制
- HarmonyOS Next提供了強大的系統級安全隔離，確保不同智慧家居裝置之間以及裝置與系統核心之間的安全隔離。即使某個裝置被攻擊，也難以影響其他裝置和系統的正常執行。 - 可信執行環境（TEE）支援
- 利用TEE，敏感的加解密操作和金鑰管理可以在安全的環境中執行，有效防止金鑰洩露和資料被篡改，為智慧家居系統的資料安全提供了硬體級的保障。
二、安全加固架構設計與裝置認證機制
（一）安全加固架構
- 裝置間通訊安全
- 建立安全的裝置間通訊通道，對裝置間傳輸的資料進行加密和完整性驗證。採用分層架構，在應用層和傳輸層之間加入安全層，負責處理加解密和認證等操作。 - 使用者認證和授權
- 實現多因素認證機制，如密碼、指紋識別、面部識別等相結合，確保使用者身份的真實性。根據使用者的身份和許可權，對裝置的訪問和控制進行授權管理，防止未經授權的操作。
（二）裝置認證過程（使用ECDSA演算法）
- 裝置註冊階段
- 智慧家居裝置在初次接入網路時，生成自己的ECDSA金鑰對。裝置將公鑰傳送給智慧家居系統的認證伺服器進行註冊。 - 認證階段（以下是簡化示例程式碼）
import { cryptoFramework } from '@kit.CryptoArchitectureKit';
import { buffer } from '@kit.ArkTS';
// 假設智慧家居系統認證伺服器已經儲存了裝置的公鑰（這裡簡化為直接生成一個公鑰示例）
async function getDevicePublicKey(deviceId) {
let keyGenAlg = "ECC256";
let generator = cryptoFramework.createAsyKeyGenerator(keyGenAlg);
let keyPair = await generator.generateKeyPair();
return keyPair.pubKey;
}
// 裝置認證函式
async function authenticateDevice(deviceId, deviceData, signature) {
let pubKey = await getDevicePublicKey(deviceId);
let verifyAlg = "ECC256|SHA256";
let verifier = cryptoFramework.createVerify(verifyAlg);
await verifier.init(pubKey);
await verifier.update({ data: new Uint8Array(buffer.from(deviceData, 'utf-8').buffer) });
return await verifier.verify(signature);
}
async function main() {
try {
let deviceId = "smartlight001";
let deviceData = "This is a sample device data for authentication.";
let signature = new Uint8Array([...]); // 假設裝置傳送的簽名
let result = await authenticateDevice(deviceId, deviceData, signature);
if (result) {
console.info('Device authentication successful');
} else {
console.error('Device authentication failed');
}
} catch (error) {
console.error('Device authentication failed:', error);
}
}
main();
- 裝置使用私鑰對裝置資料（如裝置ID、裝置狀態等）進行簽名，然後將簽名和裝置資料一起傳送給認證伺服器。認證伺服器使用裝置註冊時儲存的公鑰對簽名進行驗證。如果驗證成功，說明裝置身份合法，可以接入智慧家居網路。
三、資料加密與傳輸安全保障
（一）資料加密演算法選擇
選擇SM4對稱金鑰演算法對智慧家居裝置間傳輸的資料進行加密。SM4演算法具有高效的加密和解密速度，適合在資源受限的智慧家居裝置上執行，同時能提供較高的資料機密性。
（二）金鑰協商與資料加密傳輸（使用ECDH和SM4演算法）
- 金鑰協商（ECDH演算法）
- 裝置間使用ECDH演算法進行金鑰協商，以下是示例程式碼：
import { cryptoFramework } from '@kit.CryptoArchitectureKit';
// 裝置A生成金鑰對
async function generateDeviceAKeyPair() {
let keyAgreement = cryptoFramework.createKeyAgreement('ECC256');
return await keyAgreement.generateKeyPair();
}
// 裝置B生成金鑰對
async function generateDeviceBKeyPair() {
let keyAgreement = cryptoFramework.createKeyAgreement('ECC256');
return await keyAgreement.generateKeyPair();
}
// 金鑰協商函式
async function keyAgreement(deviceAPrivateKey, deviceBPublicKey) {
let keyAgreement = cryptoFramework.createKeyAgreement('ECC256');
return await keyAgreement.doFinal(deviceAPrivateKey, deviceBPublicKey);
}
async function main() {
try {
let deviceAKeyPair = await generateDeviceAKeyPair();
let deviceBKeyPair = await generateDeviceBKeyPair();
let sharedKey = await keyAgreement(deviceAKeyPair.priKey, deviceBKeyPair.pubKey);
console.log('Shared key:', sharedKey);
} catch (error) {
console.error('Key agreement failed:', error);
}
}
main();
- 裝置A和裝置B分別生成自己的橢圓曲線金鑰對，然後交換公鑰。透過ECDH演算法計算出共享金鑰，用於後續的SM4演算法加密資料。
2. 資料加密傳輸（SM4演算法）
import { cryptoFramework } from '@kit.CryptoArchitectureKit';
import { buffer } from '@kit.ArkTS';
// 生成SM4對稱金鑰（這裡使用前面協商得到的共享金鑰）
async function generateSM4Key(sharedKey) {
let sm4Generator = cryptoFramework.createSymKeyGenerator('SM4_128');
let keyBlob = { data: new Uint8Array(sharedKey) };
return await sm4Generator.convertKey(keyBlob);
}
// 加密函式
async function encryptData(symKey, plainText) {
let cipher = cryptoFramework.createCipher('SM4_128|CBC|PKCS7');
let iv = new Uint8Array(16); // 生成16位元組的隨機IV
let params = {
iv: { data: iv }
};
await cipher.init(cryptoFramework.CryptoMode.ENCRYPT_MODE, symKey, params);
let encryptData = await cipher.doFinal(plainText);
return encryptData;
}
// 解密函式
async function decryptData(symKey, cipherText, iv) {
let decoder = cryptoFramework.createCipher('SM4_128|CBC|PKCS7');
let params = {
iv: { data: iv }
};
await decoder.init(cryptoFramework.CryptoMode.DECRYPT_MODE, symKey, params);
return await decoder.doFinal(cipherText);
}
async function main() {
try {
// 假設已經透過金鑰協商得到共享金鑰
let sharedKey = new Uint8Array([...]);
let symKey = await generateSM4Key(sharedKey);
let message = "This is a test message for smart home device.";
let plainText: cryptoFramework.DataBlob = { data: new Uint8Array(buffer.from(message, 'utf-8').buffer) };
let encryptedData = await encryptData(symKey, plainText);
console.log('Encrypted data:', encryptedData);
// 解密（假設接收方收到密文後進行解密）
let iv = new Uint8Array(16); // 接收方使用相同的IV
let decryptedText = await decryptData(symKey, encryptedData, iv);
console.log('Decrypted data:', buffer.from(decryptedText.data).toString('utf-8'));
} catch (error) {
console.error('Encryption/Decryption failed:', error);
}
}
main();
- 裝置使用協商得到的共享金鑰生成SM4對稱金鑰，然後對資料進行加密傳輸。接收方使用相同的金鑰和IV進行解密操作，確保資料的機密性和完整性。
四、安全管理與維護策略
（一）安全管理策略
- 金鑰更新
- 定期更新裝置間通訊金鑰和使用者認證金鑰，降低金鑰洩露風險。可以設定一個合理的金鑰更新週期，如每月或每季度更新一次。 - 裝置韌體安全更新
- 及時推送裝置韌體更新，修復可能存在的安全漏洞。建立安全的韌體更新機制，確保韌體在傳輸和更新過程中的完整性和安全性。
（二）安全監控與事件處理
- 安全監控系統
- 部署安全監控系統，實時監測智慧家居系統的網路流量、裝置狀態等資訊。透過分析異常行為，如異常的資料流量、裝置頻繁連線等情況，及時發現潛在的安全威脅。 - 事件響應機制
- 建立完善的安全事件響應機制，一旦發現安全事件，能夠迅速採取措施進行處理。例如，當檢測到裝置被劫持時，立即切斷裝置網路連線，通知使用者並採取相應的修復措施。
透過以上對智慧家居系統安全加固中加解密技術的深度應用，我們能夠在HarmonyOS Next環境下構建一個安全可靠的智慧家居系統，有效保護使用者隱私和裝置安全，為使用者提供更加智慧、安全的家居生活體驗。