基于Android系統(tǒng)及混合加密的藍牙遠程控制研究

馮益斌

摘 要： 近年來搭載Android系統(tǒng)的智能可穿戴設(shè)備發(fā)展迅速，藍牙通信技術(shù)廣泛地應(yīng)用在智能可穿戴設(shè)備中，使其能與手機之間相互通信，實現(xiàn)圖片、視頻、文件等數(shù)據(jù)傳送功能。研究基于Android系統(tǒng)的藍牙遠程控制功能，通過建立的藍牙連接，實現(xiàn)智能手表與手機之間的數(shù)據(jù)傳送，為了保障數(shù)據(jù)的安全性，對傳送的數(shù)據(jù)進行了混合加密。應(yīng)用程序運行在搭載Android系統(tǒng)的GEAR智能手表和手機上，實現(xiàn)了通過GEAR手表實時預(yù)覽手機攝像頭采集到的圖像，并且遠程控制手機拍攝照片的功能。

關(guān)鍵詞： 遠程控制； 藍牙； Android； 混合加密

中圖分類號： TN92?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0089?04

0 引 言

基于藍牙的遠程控制功能能夠使智能可穿戴設(shè)備更好地與手機相互配合起來。本文實現(xiàn)的遠程控制功能應(yīng)用于搭載Android系統(tǒng)的三星Gear智能手表與手機之間，通過發(fā)送自定義的藍牙數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對控制信息和數(shù)據(jù)信息的區(qū)分，能夠識別控制信息的類型，應(yīng)用于Gear手表與手機之間，通過相互連接之后，Gear手表能夠?qū)崟r預(yù)覽手機攝像頭獲取的數(shù)據(jù)，并且能夠控制手機進行拍照。

然而考慮到安全性問題，藍牙數(shù)據(jù)在傳送的過程中容易被竊取[1]，這將對用戶的隱私造成極大的威脅。因此，對藍牙數(shù)據(jù)進行加密也是尤為重要的。通過對加密算法的分析與研究，本文采用了混合加密算法。對于智能可穿戴設(shè)備這一類運算能力不是很強的設(shè)備，加密速度尤為重要，RC4加密算法在流加密上的優(yōu)勢，能夠滿足應(yīng)用的需求，然而其安全性并不是最好，通過截獲的數(shù)據(jù)容易分析出加密的秘鑰。因此采用RSA非對稱加密算法對RC4秘鑰進行再一次的加密，由于秘鑰信息比較短，加密算法的復(fù)雜度對加密速度的影響比較小，采用RSA安全度高的算法來保證RC4秘鑰信息不被直接讀取到更加重要[2]。

1 功能模塊劃分

Android應(yīng)用程序由四大基本組件Activity，Service 服務(wù)，Content Provider內(nèi)容提供者和BroadcastReceiver 廣播接收器組成。四大組件通過相互之間的配合、數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)了應(yīng)用程序的功能，完成了用戶與系統(tǒng)之間的交互，滿足了用戶的實際需求[3]。

基于藍牙的遠程控制功能研究是為了使搭載Android系統(tǒng)的智能可穿戴設(shè)備與手機之間實現(xiàn)遠程控制的功能。本研究要求創(chuàng)建Android應(yīng)用程序，實現(xiàn)智能手表遠程控制手機拍攝照片的功能。深入分析了基于藍牙的遠程控制功能的主要內(nèi)容，將研究的內(nèi)容劃分為以下3大模塊[4]：

（1） 藍牙通信模塊：通過對Android系統(tǒng)藍牙模塊的分析，調(diào)用AndroidSDK中的接口函數(shù)，實現(xiàn)了設(shè)備之間通過藍牙協(xié)議來建立數(shù)據(jù)的連接，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的功能[5]。

（2） 遠程控制模塊：此模塊通過定義的數(shù)據(jù)包頭來區(qū)分發(fā)送數(shù)據(jù)的類型是數(shù)據(jù)信息還是控制信息，使得Android設(shè)備之間可以通過傳送數(shù)據(jù)信息和控制信息兩種信息類型，從而實現(xiàn)了基于藍牙的遠程控制功能。

（3） 數(shù)據(jù)加密模塊：此模塊實現(xiàn)了RC4加密算法與RSA加密算法相結(jié)合的混合加密算法，應(yīng)用于基于藍牙的遠程控制功能，保護了數(shù)據(jù)傳送的安全性。在3大模塊的基礎(chǔ)上，最終設(shè)計并實現(xiàn)了一個運行在Android系統(tǒng)上的應(yīng)用程序。應(yīng)用程序運行在GEAR手表和Android手機上，實現(xiàn)了手表與手機之間藍牙連接的建立，完成了通過遠程控制來拍攝照片的功能。

2 藍牙通信模塊設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 藍牙協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸

完整的藍牙協(xié)議棧根據(jù)各協(xié)議所處的位置可分三大類，分別是底層協(xié)議、中間層協(xié)議和高層協(xié)議。

藍牙底層協(xié)議實現(xiàn)了傳輸鏈路的建立，用于傳送藍牙信息數(shù)據(jù)流，是藍牙協(xié)議體系的基礎(chǔ)。藍牙底層協(xié)議包括藍牙射頻協(xié)議（RadioFrequencyProtocol）、鏈路管理協(xié)議（LinkManagerProtocol，LMP）、藍牙基帶協(xié)議（BaseBandProtocol）和主機控制器接口協(xié)議（HostControllerInterfaceProtocol，HCI）。藍牙射頻協(xié)議決定了藍牙通信的技術(shù)特點，使藍牙工作在免許可的2.4 GHz ISM頻段。藍牙基帶協(xié)議在藍牙協(xié)議棧中位于藍牙射頻層之上，是設(shè)備之間通過藍牙協(xié)議通信的關(guān)鍵程序，定義了微微網(wǎng)的創(chuàng)建過程以及如何通過藍牙相連接。

藍牙中間層協(xié)議的主要功能是數(shù)據(jù)幀的分解與重組、組提取、服務(wù)質(zhì)量控制等。中間層協(xié)議為上層應(yīng)用程序提供服務(wù)，提供底層協(xié)議的接口。

藍牙高層協(xié)議包括對象交換協(xié)議（ObjectExchangeProtocol，OBEX）和無線應(yīng)用協(xié)議（WirelessApplicationProtocol，WAP）。對象交換協(xié)議屬于會話層協(xié)議，由紅外數(shù)據(jù)協(xié)會制定，主要用于紅外數(shù)據(jù)鏈路中數(shù)據(jù)對象的交換。使得基于紅外鏈路的應(yīng)用程序能夠方便地移植到藍牙協(xié)議上。

2.2 藍牙功能接口概述

通過調(diào)用藍牙協(xié)議棧接口，編寫應(yīng)用程序，從而實現(xiàn)藍牙通信功能，使得應(yīng)用程序能夠?qū)崿F(xiàn)藍牙設(shè)備的搜索、請求藍牙配對、建立RFCOMM通道、與其他設(shè)備相連接的功能。調(diào)用AndroidSDK提供的應(yīng)用編程接口，可以實現(xiàn)藍牙通信的基本功能，功能主要分為以下6大類：搜索藍牙設(shè)備；查詢本地藍牙適配器配對的藍牙設(shè)備；建立RFCOMM通道；通過服務(wù)發(fā)現(xiàn)并連接到其他設(shè)備；與其他設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)；管理多個連接[6]。

2.3 藍牙通信模塊的實現(xiàn)

通過對藍牙協(xié)議棧的分析，掌握了藍牙協(xié)議棧中各協(xié)議的主要功能，掌握了數(shù)據(jù)在藍牙通信過程中的傳送過程以及設(shè)備之間建立藍牙連接的完整步驟。通過對Android系統(tǒng)SDK提供的藍牙協(xié)議棧接口的學(xué)習(xí)，掌握了基于Android系統(tǒng)開發(fā)藍牙通信模塊的基本步驟和實現(xiàn)方法。Android系統(tǒng)中藍牙通信模塊的實現(xiàn)主要包括4大部分：本機藍牙模塊的配置、藍牙設(shè)備的搜索、藍牙設(shè)備連接的建立和藍牙設(shè)備通信的實現(xiàn)。

2.3.1 本機藍牙模塊的配置

AndroidSDK提供了一個核心類BluetoothAdapter，通過創(chuàng)建BluetoothAdapter實例對象來配置本機藍牙模塊的相關(guān)屬性，在程序中的實現(xiàn)如下：

//實例化系統(tǒng) BluetoothAdapter 對象

BluetoothAdapter mAdapter = Bluetooth Adapter. get DefaultAdapter（）；

//直接打開系統(tǒng)的藍牙設(shè)置面板

Intent intent = new Intent （BluetoothAdapter.ACTION _REQUEST_ENABLE）；

startActivityForResult（intent， 0x1）；

2.3.2 藍牙設(shè)備的搜索

配置了本地的藍牙屬性，開啟藍牙功能之后，接下來調(diào)用 BluetoothAdapter. startDiscovery（）實現(xiàn)搜索附近設(shè)備功能。

startDiscovery（）方法是一個異步方法，調(diào)用后會立即返回。該方法對附近可見的藍牙設(shè)備進行搜索，該過程會持續(xù)12 s。當該方法被調(diào)用后，搜索過程在一個 System Service中完成，當搜索到需要連接的藍牙設(shè)備可以通過調(diào)用cancelDiscovery（）方法來停止搜索。調(diào)用startDiscovery（）方法后，系統(tǒng)開始搜索藍牙設(shè)備，此時系統(tǒng)會發(fā)送以下3個廣播命令：

ACTION_DISCOVERY_START表示開始搜索；ACTION_DISCOVERY_FINISHED表示搜索結(jié)束；ACTION_FOUND表示找到設(shè)備。應(yīng)用程序?qū)⑺阉鞯降乃{牙設(shè)備以列表的形式展示給用戶，供用戶選擇。

2.3.3 藍牙設(shè)備連接的建立

藍牙設(shè)備連接的建立，是以服務(wù)器端與客戶端的機制來實現(xiàn)的。兩個藍牙設(shè)備在同一個RFCOMMchannel下分別獲得一個連接的BluetoothSocket，便可建立藍牙設(shè)備的通信連接?？蛻舳讼?qū)嵗膁evice發(fā)出建立連接的請求，即通過createRfcommSocketTo ServiceRecord（）方法來請求建立一個連接，當連接創(chuàng)建成功后，返回一個BluetoothSocket類型數(shù)據(jù)：

BluetoothSocket mSocket = device. createRfcommSocketTo ServiceRecord（MY_UUID_SECURE）；

服務(wù)器端通過UUID創(chuàng)建BluetoothServerSocket來接收來自其他設(shè)備的連接請求：

BluetoothServerSocket mServerSocket=mAdapter.listen UsingWithServiceRecord（NAME_SECURE， UUIDE）；

當接收到藍牙設(shè)備的連接請求時，調(diào)用mServerSocket的accept（）方法，實現(xiàn)服務(wù)器端BluetoothSocket的初始化。

2.3.4 藍牙設(shè)備通信的實現(xiàn)

已經(jīng)建立了藍牙連接的Android設(shè)備通過調(diào)用BluetoothSocket的getInputStream（）方法來獲得輸入流，調(diào)用getOutputStream（）方法獲得輸出流。輸入流用于接收已連接的藍牙設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，從輸入流中讀取數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。輸出流用來發(fā)送數(shù)據(jù)到已連接的藍牙設(shè)備上，向輸出流寫數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程如圖1所示。

3 遠程控制模塊的研究與實現(xiàn)

3.1 遠程控制功能研究

Android系統(tǒng)中，藍牙協(xié)議棧在AndroidSDK中實現(xiàn)，藍牙數(shù)據(jù)底層解析的過程是應(yīng)用程序不可見的。對于兩個通過藍牙協(xié)議連接的智能設(shè)備，運行在手表端和手機端的應(yīng)用程序，僅能夠?qū)斎肓骱洼敵隽鬟M行操作，向輸出流寫數(shù)據(jù)便能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，從輸入流中讀數(shù)據(jù)便能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

通過分析設(shè)定包頭的大小為1 B，包頭的數(shù)值范圍為0～255，最多能夠表示256種不同的數(shù)據(jù)類型，此應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)類型有兩種，即數(shù)據(jù)信息和控制信息，因此可以選取0和1分別表示。其余的數(shù)值表示，可用于程序的擴展，當所要區(qū)分的數(shù)據(jù)類型增多后，可使用保留的數(shù)值來表示。對于本應(yīng)用程序用數(shù)值0來表示普通數(shù)據(jù)信息，數(shù)值1表示控制信息。

確定了數(shù)據(jù)包頭的數(shù)據(jù)大小，以及各數(shù)據(jù)類型的表示后，定義一個發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，管理發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

class SendData

{ //定義字節(jié)類型的control包頭 public byte control；

//數(shù)據(jù)部分為字節(jié)數(shù)組 public byte[]； data； }

3.3 遠程控制功能實現(xiàn)

設(shè)計的應(yīng)用程序?qū)⒒贏ndroid的遠程控制功能應(yīng)用于手機與智能手表之間，實現(xiàn)手表控制手機拍攝照片。在Android應(yīng)用程序中實現(xiàn)遠程控制的功能，首先要對包頭信息進行定義。根據(jù)遠程控制功能的分析以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義可知此應(yīng)用程序中發(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程序中定義靜態(tài)變量：

Private static final byte DATA=（byte）0；

發(fā)送圖像信息時，用來對發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的包頭進行賦值，標明發(fā)送的數(shù)據(jù)圖像信息。另一類是拍攝照片的控制信息，在Android程序中定義靜態(tài)變量：

Private static final byte TAKE_PHOTO=（byte）1；

發(fā)送拍攝照片的控制信息時，對發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的包頭進行賦值，標明發(fā)送的數(shù)據(jù)為拍攝照片控制指令。

應(yīng)用程序中，已經(jīng)建立藍牙連接的兩個藍牙設(shè)備，一個充當主控端，另一個充當被控端。被控端發(fā)送的數(shù)據(jù)為攝像頭采集到的圖像信息。

4 數(shù)據(jù)加密解密模塊研究與實現(xiàn)

4.1 加密解密算法的選擇

本功能模塊采用了混合加密的加密算法，通過RC4對原始數(shù)據(jù)進行第一次加密，由于RC4加密算法相對簡單，安全性上存在著一定的風(fēng)險，而且在傳輸過程中要傳輸加密數(shù)據(jù)的秘鑰，這將極大地威脅到通信的安全。為了把這種風(fēng)險降低，采用RSA加密算法進行第二次加密，第二次加密的數(shù)據(jù)僅僅是第一次加密算法RC4的秘鑰信息。整個的加密過程如圖2所示。

4.2 RC4算法實現(xiàn)

Android應(yīng)用程序編寫使用的是Java語言的軟件開發(fā)工具包，即JDK。JDK中提供了對于加密算法的支持，因此在本應(yīng)用中可以直接調(diào)用JDK提供的RC4加密算法的接口，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的加密解密過程。首先生成秘鑰程序為：

public static Key getKey（）

{ Key key = null；

KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance（"RC4"）；

kg.init（128）； //產(chǎn)生秘鑰

key = kg.generateKey（）； return key； }

首先通過KeyGenerator定義秘鑰產(chǎn)生變量kg，通過getInstance方法構(gòu)造出RC4加密算法的秘鑰產(chǎn)生器。然后初始化秘鑰的大小，init（intkeysize）方法中參數(shù)的數(shù)值指定了秘鑰的長度。

圖2 加密過程

4.3 混合加密算法實現(xiàn)

在程序中，通過返回字節(jié)數(shù)組的length數(shù)值得到數(shù)據(jù)信息的長度，長度信息為int類型的數(shù)值。int類型數(shù)據(jù)占用4 B空間，int轉(zhuǎn)換byte類型的函數(shù)為：

public static byte[] intToBytes（int n）

{ byte[] b = new byte[4]；

for（int i = 0；i < 4；i++）

{ b[i] = （byte）（n >> （24- i * 8））； } return b； }

程序中RC4與RSA混合加密過程的主要程序：

public synchronized void write（byte[] buffer）

{??

byte[] encr= RC4.encrypt（buffer，key_send）；

byte[] encodedData=RSAUtils.encryptByPublic Key（key_ send， publicKey）；

int sum = intToBytes（encr.length）；

byte[] send=new byte[4+encodedData.length+encr.length]；

System.arraycopy（sum， 0， send， 0， 4）；

System.arraycopy（encodedData， 0， send， 4， 128）；

System.arraycopy（encr， 0， send， 132， encr.length）；

?? }

首先使用RC4加密算法來加密數(shù)據(jù)buffer，秘鑰為key_send。然后使用RSA加密算法加密RC4的秘鑰信息key_send。接著，計算出buffer經(jīng)過RC4加密后的數(shù)據(jù)長度。將上述的三部分信息按著定義的結(jié)構(gòu)依次寫入欲發(fā)送的字節(jié)數(shù)組send中。最后，將字節(jié)數(shù)組send寫入到通過BluetoothSocket獲得的輸出流中，即可實現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)的發(fā)送。

5 藍牙遠程控制拍照實現(xiàn)

藍牙遠程控制的相機拍照程序是基于Android系統(tǒng)的藍牙遠程控制研究的一個實際應(yīng)用程序。通過藍牙通信模塊的實現(xiàn)、遠程控制功能模塊的實現(xiàn)、混合加密算法的實現(xiàn)，將三部分結(jié)合起來，應(yīng)用于遠程控制照片的拍攝上，實現(xiàn)了通過GEAR手表來控制手機進行照片的拍攝。

6 結(jié) 論

通過分析國內(nèi)外基于藍牙的遠程通信研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。對比多種對稱加密算法和非對稱加密算法的優(yōu)勢和劣勢，最后選擇通過混合加密算法對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行加密和解密。本文完成了藍牙遠程控制功能的研究，采用混合加密的方式對數(shù)據(jù)進行加密解密。將藍牙遠程控制功能的研究應(yīng)用在拍照程序上，實現(xiàn)了通過智能手表遠程控制手機拍攝照片的功能。

參考文獻

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