程序员如何实现财富自由系列之：学习并应用物联网技术

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.背景介绍

物联网（IoT）或称智能网联网（Smart Internet of Things，SIoT），是一种将互联网技术和传感器技术结合在一起的新兴产业领域。随着物联网技术的不断发展，越来越多的人通过它获取到大量的数据信息。而这些数据信息中的价值也越来越被认识到。比如从道路交通数据的统计分析，到社区巡逻的传感器监控，再到房屋电能监测等，都离不开物联网技术。近年来，物联网技术已经成为社会发展和经济发展的重要组成部分。 但是，物联网技术还处于起步阶段，并未取得较好的发展。根据IDC调查显示，目前全球只有不到7%的企业拥有基于物联网技术的产品和服务，仅占21%左右。另据中国国家发展改革委员会发布的数据显示，物联网相关的产品、服务、解决方案正在蓬勃发展中。但由于各地法律政策不同、各个行业需求不一，造成了“云计算+物联网”模式无法真正落地。 因此，本文将探讨物联网技术的发展趋势、适用场景、核心概念、核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解，带领读者搭建属于自己的物联网体系，打造数字化生活。

2.核心概念与联系

（1）物联网概念

物联网（IoT）：物联网是指利用Internet（互联网）所能连接的各种设备及其周边环境的数据，将其转换、存储、处理、分析、传输、控制和通信等各种信息，以提高智能化、节约能源、优化管理效率的网络技术。是以计算机网络、传感器、智能设备、嵌入式系统、软件、应用平台为基础，实现网络互连，实现信息共享，对人、物及其周边环境进行收集、汇总、处理、分析、存储、转移、控制的一种信息技术。

（2）适用场景

物联网的适用场景主要分为以下四类：

⒈ 远程监控与安全保障。物联网可以用于在户外监视居住区域的环境质量，以及实现智能化的消防设施、环保检查点、工业区域安全监测等功能；

⒉ 智能制造与自动化运输。物联网技术可以帮助用户建立数字化制造基地，利用物流信息进行自动化配送，通过智能机器人完成生产任务；

⒊ 节能与能源优化。物联网技术可用于降低当地电力成本、降低能源消费，优化生产线、供应链等环节，提升生产力；

⒋ 虚拟现实、AR/VR、手游、网络游戏、物流、医疗健康等互动娱乐。物联网技术可以充分利用人工智能和大数据技术，通过互联网进行虚拟现实、增强现实、可穿戴装置的展示和互动，使人们可以和虚拟世界进行更多的互动。

（3）核心概念

（1）设备注册

物联网设备的注册主要依靠终端设备(手机、平板电脑、PC机)在接入网络时向网络服务器发送相关信息，包括设备编号、地址、型号、硬件配置等，以便服务器能够及时识别并管理该设备。每个设备编号由制造商、设备类型、序列号、软件版本等组成，其中软件版本与硬件配置、驱动程序、运行状态息息相关。设备注册后，服务器会产生一个唯一的设备ID，用于标识每台设备。

（2）设备认证

设备认证指的是物联网设备对自己身份的验证，确保其具有可信任的身份。一般情况下，设备需要先向服务器发送设备证书，证书包含设备的唯一ID、生产厂商、设备类型、硬件配置、驱动程序等信息。设备认证之后，才能加入网络，并能够正常使用。

（3）消息通知

物联网设备之间可以通过各种方式进行通信，如短信、语音、邮件、微信、微博、APP推送等，这些消息都是通过Internet进行传输的。设备接收到消息后，首先要对消息进行鉴权，判断是否合法有效。如果合法，则立即响应请求；如果不合法，则过滤掉该消息。另外，物联网设备还需要对消息进行加密，防止第三方恶意窃取数据。

（4）数据采集与处理

物联网设备收集到的数据，经过网络传输、设备间传输等过程，最终要送往云端进行存储与分析。数据采集和处理的过程需要通过算法模型进行复杂的运算处理，以便提高数据处理的准确性、效率。例如，传感器通过检测环境温度、湿度、光照强度、雨滴个数等，通过机器学习、深度学习等方式进行数据分析，得出可靠的能耗数据，进而进行风冷布局调度、设备维护预警等。

（5）设备状态监控与报警

物联网设备的运行状态依赖于云端的大数据分析，通过对设备数据进行实时的监控和报警，可以及时发现设备的异常行为，为维修、保养提供更有效的措施。同时，物联网设备也需持续向云端上传数据，以保证数据的完整性和可用性。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

（1）密钥协商算法

物联网设备之间需要实现密钥协商算法，用于在设备间建立安全的通信通道，确保设备间信息的安全传输。常用的密钥协商算法有DH(Diffie-Hellman)算法、RSA算法、ElGamal算法等。它们的具体原理和操作流程如下图所示：

如上图所示，DH算法的基本过程是先生成两个不同且随机的大整数a和b，然后计算a^b mod n，并发送给对方；对方计算b^a mod n，并返回结果，两者得到的结果是一样的，这样就可以得到一个共享的密钥K。该方法隐蔽性好，且计算量小，所以通常采用此算法。

（2）消息认证码算法

物联网设备之间需要实现消息认证码算法，用于确认消息的完整性、身份和来源。常用的消息认证码算法有HMAC-SHA256算法、AES-CBC算法等。它们的具体原理和操作流程如下图所示：

如上图所示，HMAC-SHA256算法利用秘钥key和消息msg计算出一个长度为32字节的摘要digest。消息认证码算法相对于哈希算法来说更加复杂一些，但是对于大规模消息的认证速度却比哈希算法快很多。

（3）数据加密算法

物联网设备之间需要实现数据加密算法，用于对数据进行加密处理。常用的数据加密算法有AES、RSA等。它们的具体原理和操作流程如下图所示：

如上图所示，AES算法加密数据时，先生成一个密钥，再用密钥对数据进行加密，得到加密后的密文。解密过程也是类似的。数据加密算法用于保护传输中的数据隐私、保护关键业务数据。

（4）数据压缩算法

物联网设备传输的数据需要实现数据压缩算法，以减少传输数据的大小。常用的数据压缩算法有GZIP、LZMA、BZIP2等。它们的具体原理和操作流程如下图所示：

如上图所示，GZIP算法的基本过程是先将原始数据进行压缩，再将压缩后的数据进行传输。接收端接收到数据后，首先检查数据是否经过压缩，如果经过压缩，则进行解压；如果没有经过压缩，直接使用；解压完后，即可得到原始数据。数据压缩算法可用于减少网络传输中的数据量，增加数据传输的速率。

4.具体代码实例和详细解释说明

下面给出一个使用JavaScript编写的设备间通信示例：

// 生成两个设备的密钥
var key1 = generateKey(); // device A generates a random secret key
var key2 = generateKey(); // device B generates a random secret key

// 设备A发送设备B的密钥
sendMessage({to: "device B", data: {secret_key: key2}})

// 设备B收到设备A发送的密钥
onMessage(function (from, message) {
  if (message && message.data && message.data.secret_key) {
    var sharedSecret = calculateSharedSecret(key1, message.data.secret_key);
    console.log("Device A and Device B have established a secure channel with shared secret:", sharedSecret);

    // 使用共享密钥进行数据传输
  } else {
    console.warn("Invalid message received from ", from, "with data:", JSON.stringify(message));
  }
})

function generateKey() {
  return crypto.getRandomValues(new Uint8Array(KEY_LENGTH)).toString('hex');
}

function sendMessage(message) {
  // 使用私钥加密消息
  var encryptedData = encryptWithPrivateKey(JSON.stringify(message.data), privateKey);

  // 将消息添加签名和时间戳
  var signatureAndTimestampedMessage = addSignatureAndTimeStamp(encryptedData, publicKey);

  // 通过HTTP协议发送消息
  fetch("/api/messages", {
    method: 'POST',
    headers: {'Content-Type': 'application/json'},
    body: JSON.stringify({
      to: message.to,
      payload: signatureAndTimestampedMessage
    })
  }).then(response => response.json()).then((result) => {
    console.log("Successfully sent message to ", result.recipientId, ": ", JSON.stringify(result.payload));
  }).catch((error) => {
    console.error("Error sending message:", error);
  });
}

function onMessage(callback) {
  // 订阅HTTP协议上的消息推送
  var subscription = new EventSource("/api/messages");

  subscription.addEventListener('message', function (event) {
    var message = JSON.parse(event.data).payload;

    // 获取消息的签名和时间戳
    var decodedPayload = removeSignatureAndTimeStamp(atob(message));

    // 检验签名
    verifySignature(decodedPayload, atob(publicKey))
     .then(() => callback(JSON.parse(atob(privateKey)).deviceId, JSON.parse(decodedPayload)))
     .catch(() => {});
  }, false);

  return () => {
    subscription.close();
  };
}

function calculateSharedSecret(privateSecretKey, publicSecretKey) {
  var privateSecretNumber = hexToNumber(privateSecretKey);
  var publicSecretPoint = hexToPoint(publicSecretKey);
  var sharedSecretPoint = mult(privateSecretNumber, publicSecretPoint);
  return pointToHex(sharedSecretPoint);
}

function encryptWithPublicKey(data, publicKey) {
  var encodedData = textEncoder.encode(data);
  var recipientPublicKey = hexToPoint(publicKey);
  var sessionKey = generateSessionKey();
  var iv = generateIV();
  var cipherText = aesEncrypt(encodedData, sessionKey, iv);
  var encryptedKey = rsaEncrypt(sessionKey, recipientPublicKey);
  return btoa({iv: arrayToBase64(iv), ciphertext: arrayToBase64(cipherText), tag: null, ephemeralPublicKey: null});
}

function decryptWithPrivateKey(encryptedData, privateKey) {
  var encryptedObj = JSON.parse(atob(encryptedData));
  var encryptedKey = base64ToArray(encryptedObj.ephemeralPublicKey);
  var iv = base64ToArray(encryptedObj.iv);
  var cipherText = base64ToArray(encryptedObj.ciphertext);
  var decryptedKey = rsaDecrypt(encryptedKey, privateKey);
  var plaintext = aesDecrypt(cipherText, decryptedKey, iv);
  return textDecoder.decode(plaintext);
}

function signMessage(data, privateKey) {
  var encodedData = textEncoder.encode(data);
  var hash = sha256(encodedData);
  var signingKey = getSigningKeyFromPrivateKey(privateKey);
  var signatureBytes = crypto.subtle.sign('RSASSA-PKCS1-v1_5', signingKey, hash);
  return bytesToBase64Url(signatureBytes);
}

function verifySignature(data, signature, publicKey) {
  var encodedData = textEncoder.encode(data);
  var hash = sha256(encodedData);
  var verificationKey = getVerificationKeyFromPublicKey(publicKey);
  return crypto.subtle.verify('RSASSA-PKCS1-v1_5', verificationKey, base64UrlToBytes(signature), hash);
}

function addSignatureAndTimeStamp(data, publicKey) {
  var timestamp = Date.now();
  var signedData = signMessage(data + "-" + timestamp, privateKey);
  var encryptedData = encryptWithPublicKey(signedData + "-" + timestamp, publicKey);
  return {data: encryptedData};
}

function removeSignatureAndTimeStamp(data) {
  try {
    var decryptedData = decryptWithPrivateKey(data, privateKey);
    var [signature, timestamp] = decryptedData.split("-").slice(-2);
    if (verifySignature(decryptedData, signature, publicKey)) {
      return decryptedData.replace(timestamp + "-", "");
    } else {
      throw new Error("Invalid signature for data.");
    }
  } catch (e) {
    console.error("Failed to remove signature and time stamp:", e);
    return undefined;
  }
}

function arrayToBase64(array) {
  return Buffer.from(array).toString('base64');
}

function base64ToArray(base64Str) {
  return new Uint8Array(Buffer.from(base64Str, 'base64'));
}

function hexToPoint(hexString) {
  var x = bigInt(hexString.slice(0, 64), 16);
  var y = bigInt(hexString.slice(64), 16);
  return Point(x, y);
}

function pointToHex(point) {
  return padLeft(point.X.toString(16), 64) + padLeft(point.Y.toString(16), 64);
}

function generateSessionKey() {
  return window.crypto.getRandomValues(new Uint8Array(SESSION_KEY_SIZE));
}

function generateIV() {
  return window.crypto.getRandomValues(new Uint8Array(BLOCK_SIZE));
}

function aesEncrypt(plainText, sessionKey, iv) {
  return window.crypto.subtle.encrypt({name: 'AES-GCM', iv}, sessionKey, plainText, null);
}

function aesDecrypt(cipherText, sessionKey, iv) {
  return window.crypto.subtle.decrypt({name: 'AES-GCM', iv}, sessionKey, cipherText, null);
}

function rsaEncrypt(data, publicKey) {
  return window.crypto.subtle.encrypt({name: 'RSA-OAEP'}, publicKey, data);
}

function rsaDecrypt(encryptedData, privateKey) {
  return window.crypto.subtle.decrypt({name: 'RSA-OAEP'}, privateKey, encryptedData);
}

function getSigningKeyFromPrivateKey(privateKey) {
  return extractKeyPair(privateKey).privateKey;
}

function getVerificationKeyFromPublicKey(publicKey) {
  return extractKeyPair(publicKey).publicKey;
}

function extractKeyPair(keyData) {
  const rawKeyData = base64ToArray(keyData);
  const algorithm = { name: 'RSASSA-PKCS1-v1_5',hash: 'SHA-256'};
  const usages = ['verify'];
  const format ='spki';

  return window.crypto.subtle.importKey('spki', rawKeyData, algorithm, true, usages)
   .then(key => ({
      publicKey: key,
      privateKey: null
    }))
}

function hexToNumber(hexString) {
  return parseInt(hexString, 16);
}

function padLeft(str, size) {
  while (str.length < size) str = '0' + str;
  return str;
}

function base64UrlToBytes(base64Url) {
  const padding = '='.repeat((4 - base64Url.length % 4) % 4);
  const base64 = (base64Url + padding).replace(/-/g, '+').replace(/_/g, '/');
  return Uint8Array.from([...atob(base64)]);
}

function bytesToBase64Url(bytes) {
  let base64 = btoa(String.fromCharCode(...new Uint8Array(bytes)));
  return base64.replace(/=/g, '').replace(/\+/g, '-').replace(/\//g, '_');
}