一种面向终端设备的离线端对端安全数据通信方法及系统与流程

本发明属于设备通信，更具体地，涉及一种面向终端设备的离线端对端安全数据通信方法及系统。

背景技术：

1、随着移动智能终端与物联网设备的广泛普及，终端设备间的近距离数据交互已成为各类数字场景的核心通信形式。在工业巡检、应急救援、野外作业等无网络覆盖或网络中断的离线场景中，终端设备需要依靠近场通道完成自主数据传输，离线临近通信的实际应用需求持续快速增长。

2、当前主流终端近场通信技术高度依赖云端服务器完成身份认证与密钥管理，无法脱离网络实现自主安全交互。传统低功耗近场通信协议缺少原生安全防护机制，通信过程极易遭受非法窃听、数据篡改与恶意重放攻击，设备身份的合法性难以得到有效核验。

3、现有密钥协商方案多采用纯数学密码算法，未结合设备物理环境特征生成密钥材料，密钥的唯一性与抗破解能力存在明显短板。部分方案仅通过软件层面实现安全防护，未借助硬件安全模块开展身份验签与密钥运算，安全防护层级偏低，易被恶意突破。

4、近场通信信道易受环境噪声与窄带干扰影响，数据传输过程中常出现乱序、丢包与误码问题。传统固定编码冗余度与固定频点的传输模式无法适配复杂信道环境，通信稳定性难以满足实际使用要求。

5、此外，现有安全通信方案大多未将数据加密、完整性校验与防重放机制进行一体化设计，数据处理流程繁杂，运算功耗偏高，难以适配低功耗终端设备的续航需求。

6、离线场景下终端设备的安全身份认证、可靠密钥协商、抗扰数据传输与一体化数据防护，已成为行业亟待攻克的技术难题。研发一款纯离线运行、依托硬件安全支撑、融合物理熵增强密钥与自适应抗扰传输的端到端安全数据通信方案，对提升离线近场通信的安全性与可靠性，支撑工业、应急、消费等多场景的终端安全交互落地具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明旨在解决离线场景下终端近场通信的身份核验不可靠、密钥易破解、数据易被窃听篡改、传输抗干扰能力弱等问题，依托硬件安全模块与物理熵增强密钥协商，结合认证加密与自适应抗扰传输，实现纯离线端到端安全数据通信，保障终端交互的安全性与可靠性。

2、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，作为本发明的第一方面，本发明提供一种面向终端设备的离线端对端安全数据通信方法，包括：

3、s1.第一终端设备与第二终端设备在离线临近状态下，通过低功耗无线模块建立连接并进行双向身份认证；双方利用预置硬件安全模块验证身份标识，并结合环境物理熵值与椭圆曲线密钥交换方法，协商生成唯一的会话对称密钥；

4、s2.第一终端设备利用所述会话对称密钥，采用认证加密模式对待传输明文数据进行加密运算生成密文数据块，并计算生成数据完整性校验标签；随后将所述密文数据块、校验标签及防重放头部信息封装为离线安全数据包；

5、s3.第一终端设备通过近场通信通道发送所述离线安全数据包，并在传输过程中根据信道噪声环境动态调整前向纠错编码冗余度及进行频点伪随机跳变；第二终端设备对接收信号进行解调解码、乱序重排与去重处理，重组得到完整的离线安全数据包；

6、s4.第二终端设备利用所述会话对称密钥对重组后的数据包进行解密，并对解密后的明文数据重新计算验证标签；若所述验证标签与数据包携带的完整性校验标签一致，则确认数据未被篡改并执行业务处理，否则丢弃数据并发送错误信号。

7、进一步地，所述s1中双向身份认证具体包括：

8、第一终端设备与第二终端设备通过蓝牙低功耗或超宽带通信模块建立初始握手连接，并交换各自的安全证书；

9、所述利用预置硬件安全模块验证身份标识，是指通过调用终端设备内嵌的安全元件或可信执行环境，对所述安全证书的数字签名进行本地验签。

10、进一步地，所述s1中结合环境物理熵值与椭圆曲线密钥交换方法，协商生成唯一的会话对称密钥，具体包括：

11、双方设备采集当前时刻内置传感器的加速度噪声数据或麦克风环境噪声数据，或者采集电池在负载变化下的瞬时电压波动曲线特征，对采集到的模拟信号进行模数转换并提取低位随机比特，经去偏处理后生成各自的本地物理熵值；

12、双方设备分别生成基于椭圆曲线的临时私钥，并根据所述临时私钥计算对应的临时公钥，通过无线模块交换所述临时公钥；

13、双方设备利用自身的临时私钥与接收到的对方临时公钥进行椭圆曲线点乘运算，生成共享椭圆曲线点，并提取该共享椭圆曲线点的横坐标数值作为基础共享密钥；

14、将所述基础共享密钥、交换的临时公钥以及所述本地物理熵值进行拼接组合，生成混合熵输入串；

15、利用预置的哈希算法对所述混合熵输入串进行单向杂凑运算，并将运算输出的哈希值截取预设长度，生成最终的会话对称密钥。

16、进一步地，所述s2中采用认证加密模式对待传输明文数据进行加密运算，具体包括：

17、生成唯一的初始化向量，并基于所述会话对称密钥和所述初始化向量，通过分组加密算法生成伽罗瓦哈希密钥及初始计数器块；

18、采用计数器模式，利用所述会话对称密钥对所述初始计数器块进行递增运算得到各明文分组对应的计数器块，将各所述计数器块的加密值分别与对应的明文分组进行异或运算，得到密文数据；

19、利用所述伽罗瓦哈希密钥，在伽罗瓦域内对附加认证数据、所述密文数据以及所述附加认证数据和所述密文数据的长度信息进行多项式累加运算，并将运算结果与初始计数器块的加密值进行异或，生成认证标签。

20、进一步地，所述s2中防重放头部信息包括单调递增的序列号或当前时间戳；

21、同时在s3中，所述第二终端设备在重组得到完整的离线安全数据包后，提取所述防重放头部信息，并查询本地维护的已接收数据包记录，若所述防重放头部信息已存在于所述记录中，则直接丢弃该离线安全数据包。

22、进一步地，所述s3中，根据信道噪声环境动态调整前向纠错编码冗余度的过程，具体包括：

23、预先构建信噪比-编码率自适应映射表，其构建步骤包括：根据香农公式计算当前信道带宽下的理论信道容量，表示信噪比，并结合目标误码率下的编码增益曲线，确定在保障通信链路误码率低于预设解码门限的前提下，不同编码率所需的最小信噪比阈值；将所述最小信噪比阈值与对应的编码率建立一一映射关系并存储于存储器中；

24、在通信过程中，实时采集近场通信通道的当前信噪比数值；

25、将所述当前信噪比数值与所述自适应映射表中的最小信噪比阈值进行遍历比对，筛选出满足的所有候选编码率；

26、从所述候选编码率中选取编码率数值最大者作为目标编码率，并将前向纠错编码的参数调整至所述目标编码率，以在保证链路稳定性的基础上最大化有效数据传输速率。

27、进一步地，所述s3中频点伪随机跳变的过程，具体包括：

28、将协商生成的会话对称密钥k作为跳频序列生成器的初始种子，并基于线性同余算法迭代生成伪随机数序列，其中乘数、增量及模数为收发双方预先约定的系统参数；

29、将所述伪随机数序列的数值映射为射频模块可选的频点集合中的具体频点索引，生成跳频图案；

30、将当前通信时钟划分为多个固定时长的时隙，收发双方在每个时隙的起始时刻，根据所述跳频图案同步切换至目标频点进行数据收发，以通过频率分集对抗窄带干扰并防止频点被截获。

31、进一步地，所述s4中，若所述验证标签与数据包携带的完整性校验标签不一致，所述第二终端设备丢弃数据并生成包含错误类型标识的传输错误信号；

32、所述第二终端设备通过所述近场通信通道将所述传输错误信号反馈至第一终端设备，所述第一终端设备接收到所述传输错误信号后，触发针对该离线安全数据包的重传机制。

33、作为本发明的第二方面，还提供一种面向终端设备的离线端对端安全数据通信系统，包括：

34、双向认证单元，用于第一终端设备与第二终端设备在离线临近状态下，通过低功耗无线模块建立连接并进行双向身份认证；双方利用预置硬件安全模块验证身份标识，并结合环境物理熵值与椭圆曲线密钥交换方法，协商生成唯一的会话对称密钥；

35、数据加密与封装单元，用于第一终端设备利用所述会话对称密钥，采用认证加密模式对待传输明文数据进行加密运算生成密文数据块，并计算生成数据完整性校验标签；随后将所述密文数据块、校验标签及防重放头部信息封装为离线安全数据包；

36、抗扰传输与重组单元，用于第一终端设备通过近场通信通道发送所述离线安全数据包，并在传输过程中根据信道噪声环境动态调整前向纠错编码冗余度及进行频点伪随机跳变；第二终端设备对接收信号进行解调解码、乱序重排与去重处理，重组得到完整的离线安全数据包；

37、解密校验与处理单元，用于第二终端设备利用所述会话对称密钥对重组后的数据包进行解密，并对解密后的明文数据重新计算验证标签；若所述验证标签与数据包携带的完整性校验标签一致，则确认数据未被篡改并执行业务处理，否则丢弃数据并发送错误信号。

38、作为本发明的第三方面，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行任一项所述的一种面向终端设备的离线端对端安全数据通信方法。

39、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

40、1.本发明的面向终端设备的离线端对端安全数据通信方法，通过在终端设备离线临近状态下借助低功耗无线模块建立连接，开展双向身份认证并使用预置硬件安全模块验证身份标识，同时结合环境物理熵值与椭圆曲线密钥交换方法协商生成唯一会话对称密钥，能够在无网络支持的场景下完成设备间的身份合法性核验，依托硬件安全模块实现本地安全验签，杜绝非法设备接入通信链路。环境物理熵值与椭圆曲线运算相结合的方式，可生成不可重复的会话对称密钥，密钥仅在本地运算生成无需在空中传输，有效降低密钥被窃取的风险，提升密钥的抗破解性能，为后续数据加密与解密提供安全的密钥基础，满足离线场景下自主密钥协商的技术要求。

41、2.本发明的面向终端设备的离线端对端安全数据通信方法，通过使用协商得到的会话对称密钥，以认证加密模式处理待传输明文数据，生成密文数据块与数据完整性校验标签，再将密文数据块、完整性校验标签和防重放头部信息封装为离线安全数据包，能够在一次运算过程中同步完成数据加密与完整性校验，简化终端设备的数据处理步骤，降低设备的运算功耗。完整性校验标签可用于验证数据是否被篡改，防重放头部信息能够识别重复传输的数据包，抵御重放攻击，规整的离线安全数据包结构，适配终端近场通信的传输格式，保障数据在处理阶段的安全性与规范性。

42、3.本发明的面向终端设备的离线端对端安全数据通信方法，通过近场通信通道传输离线安全数据包，传输时依据信道噪声环境动态调整前向纠错编码冗余度并进行频点伪随机跳变，接收端对信号完成解调解码、乱序重排与去重处理后，使用会话对称密钥解密并校验完整性标签，根据校验结果处理数据或反馈错误信号，能够增强近场通信的抗干扰能力与传输稳定性，动态纠错机制适配不同信道的传输条件，频点伪随机跳变减少信号被截获的可能。接收端的数据重组操作保证数据包完整，完整性校验确认数据未被篡改，错误信号可触发重传机制，全面提升离线端对端数据通信的可靠性与安全性。