黃一平，孫健華，梁梓辰

（1.廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院，廣西桂林 541000；2.廣西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林 541000）

由于大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在租用的公有云，存在數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)且耗電量較高，該文使用MT7621 為核心，ESP07 模塊為從設(shè)備搭建個(gè)人私有云。MT7621 搭載OpenWRT 系統(tǒng)[1-6]，并搭建FTP（File Transfer Protocol）服務(wù)器[7]，使用Frp 技術(shù)進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透[8-12]。該文使用了ESP07模塊設(shè)計(jì)了一鍵喚醒操作，在一段時(shí)間未使用MT7621 時(shí)，就讓MT7621 進(jìn)入休眠狀態(tài)，使用時(shí)，用戶可以點(diǎn)擊一鍵喚醒，重新喚醒MT7621，既節(jié)約能源，又可以很好地保證安全性。該文通過QT設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了桌面端的FTP 客戶端，并集成了128 位的AES（Advanced Encryption Standard）加密[13-17]，可對(duì)Word文檔、文本文件、圖片、視頻等通過文件流加密的方式進(jìn)行加密傳輸，從而保護(hù)文件安全。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

該文依據(jù)MT7621 與ESP07 進(jìn)行設(shè)計(jì)。MT7621作為核心設(shè)備使用時(shí)通電，不使用時(shí)則進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，以保護(hù)數(shù)據(jù)無法被外部網(wǎng)絡(luò)訪問，ESP07 不斷電，通過手機(jī)或者電腦指令，進(jìn)行一鍵喚醒操作。MT7621 搭載了Uboot 內(nèi)核、OpenWRT 系統(tǒng)、Nginx 認(rèn)證界面、FTP 服務(wù)器，以保證數(shù)據(jù)的收發(fā)，利用手機(jī)APP 或者電腦客戶端發(fā)送指令。ESP07 包含Airkiss技 術(shù)、MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）一鍵喚醒、斷線重連功能，同樣是由APP 與電腦端發(fā)送指令進(jìn)行控制，其整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 私有云整體設(shè)計(jì)

該文采用了多種技術(shù)，其主要模塊的技術(shù)情況如表1 所示。

表1 主要模塊技術(shù)情況

2 私有云系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 OpenWRT系統(tǒng)設(shè)計(jì)

OpenWRT 系統(tǒng)是Linux 系統(tǒng)的衍生版，是路由器的重要系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能與豐富的板塊，可以自定義軟件與庫(kù)。該文設(shè)計(jì)的私有云系統(tǒng)可以作為路由器使用，也可以當(dāng)終端設(shè)備使用，將路由器模式與終端模式結(jié)合起來，適應(yīng)于多個(gè)場(chǎng)景。

該文依據(jù)所需要的功能，對(duì)OpenWRT 系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，包括支持2路USART、支持256 MB內(nèi)存和32 MB的NAND FLASH，以保持其更高的性能，并移植驅(qū)動(dòng)文件，如MT7612 驅(qū)動(dòng)等，移植對(duì)應(yīng)的軟件，如vsftpd等，并編寫MakeFile 文件，使其編譯到固件當(dāng)中，然后通過TFTP(Trivial File Transfer Protocol)的方式下載固件到MT7621 設(shè)備中。

2.2 服務(wù)器搭建

FTP 基于TCP 協(xié)議的文件傳輸協(xié)議，采用客戶端/服務(wù)器模式，通過FTP 服務(wù)器進(jìn)行文件的上傳與下載。FTP 協(xié)議可以很好地控制用戶數(shù)量，更好地分配寬帶，可以很方便地上傳與下載文件。該文就是依據(jù)FTP 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在Nginx 認(rèn)證通過后，即可開啟FTP 服務(wù)。

由于FTP 服務(wù)器可以通過眾多軟件訪問，不利于軟件與硬盤的安全。為了實(shí)現(xiàn)安全訪問，該文設(shè)計(jì)了Nginx 認(rèn)證，通過FCGI 接口返回信息，在重新登陸時(shí)都要連接Nginx 頁(yè)面，而FTP 的用戶名與密碼都放在代碼中打包，對(duì)于用戶來說，F(xiàn)TP 的用戶名和密碼是不可見的，從而更好地保護(hù)硬盤信息。Nginx 是一個(gè)輕量級(jí)的Web 服務(wù)器，占用內(nèi)存少，并發(fā)能力強(qiáng)，可以流暢運(yùn)行在OpenWRT 系統(tǒng)。FCGI 是一個(gè)更高速的公共網(wǎng)關(guān)接口，有更高的性能。由于CGI解釋器的反復(fù)加載，其性能越來越差，F(xiàn)CGI 將其保持在內(nèi)存中，可以很大程度保持其性能。在有多人訪問私有云設(shè)備時(shí)，其登錄不會(huì)卡頓或者是服務(wù)器崩潰。

在OpenWRT 更新軟件包，并且在內(nèi)核中選中Nginx、FCGI，配置文件重新打包，系統(tǒng)啟動(dòng)后可以使用shell命令啟動(dòng)Nginx 與FCGI。

2.3 內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在IPv4 時(shí)代，IPv6 還沒有廣泛地被使用，僅僅通過IP 地址去訪問設(shè)備，目前無法實(shí)現(xiàn)，針對(duì)此問題，該文設(shè)計(jì)了Frp 內(nèi)網(wǎng)穿透的方式訪問私有云，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地訪問私有云硬盤。內(nèi)網(wǎng)穿透，即NAT 穿透，其可以將私有地址轉(zhuǎn)換為合法的IP 地址，以完成重用地址，并且隱藏內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。外部主機(jī)要與內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行通信，需要由內(nèi)網(wǎng)中的主機(jī)發(fā)起連接，使得NAT 設(shè)備產(chǎn)生映射條目。

在服務(wù)器端配置Frps，如購(gòu)買的阿里云主機(jī)，在客戶端配置Frpc，同時(shí)啟動(dòng)兩者即可建立連接。在局域網(wǎng)開啟Frp 服務(wù)器之后，進(jìn)行層級(jí)上傳，然后通過服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，最后就可通過外網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)Nginx與FTP 進(jìn)行訪問。

2.4 一鍵配網(wǎng)技術(shù)

私有云在STA 模式時(shí)，需要快速地接入網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的AP 配網(wǎng)速度慢，操作繁瑣。Airkiss 可以直接將當(dāng)前手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給私有云設(shè)備，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)操作。

具體配網(wǎng)過程如圖2 所示。

圖2 Airkiss配網(wǎng)過程

MT7621 設(shè)備此時(shí)為STA 模式，與手機(jī)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，手機(jī)連接WiFi 網(wǎng)絡(luò)，MT7621 點(diǎn)擊按鍵，進(jìn)入一鍵配網(wǎng)模式，手機(jī)啟動(dòng)客戶端，點(diǎn)擊一鍵配網(wǎng)，此時(shí)MT7621 即可連接到手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)。

Airkiss 的基本配網(wǎng)技術(shù)如下：

1）MT7621 設(shè)備要處在混雜模式，此時(shí)無論MAC地址是否相同，處在混雜模式下的設(shè)備會(huì)把802.11格式的數(shù)據(jù)包全部接收過來。

2）MT7621 需要做到隨時(shí)進(jìn)行信道切換，802.11有多個(gè)信道，需要時(shí)刻切換信道來接收數(shù)據(jù)包。檢測(cè)到有效數(shù)據(jù)包之后，要鎖定在此信道下。

3）利用數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度來承載有效信息。Airkiss使用UDP 廣播包作為載體，發(fā)送一些列的UDP 廣播包，每個(gè)廣播包都使用Length 進(jìn)行編碼，接收方接收到UDP 包后，使用Airkiss 解析出對(duì)應(yīng)的信息，完成配網(wǎng)過程。

2.5 一鍵喚醒設(shè)計(jì)

MQTT 是一種基于發(fā)布與訂閱的輕量級(jí)通信協(xié)議，其可以利用極少的代碼和有限的帶寬，提供可靠的服務(wù)。MQTT 的控制報(bào)文以及內(nèi)嵌的應(yīng)用數(shù)據(jù)可以提供良好的安全性。

為了保護(hù)移動(dòng)硬盤的數(shù)據(jù)安全，使其更加節(jié)能，利用ESP07 模塊設(shè)計(jì)了一鍵喚醒操作，基于MQTT 協(xié)議，當(dāng)私有云硬盤一段時(shí)間（這個(gè)時(shí)間可以由用戶自行設(shè)置）沒有工作時(shí)，硬盤電路將會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)MT7621斷電無法工作，當(dāng)用戶使用時(shí)，點(diǎn)擊一鍵喚醒，MQTT 會(huì)發(fā)送信號(hào)使電路通電，喚醒MT7621 重新進(jìn)行工作，此設(shè)計(jì)相當(dāng)于設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)，保護(hù)了數(shù)據(jù)安全，如果用戶將MT7621 作為家庭路由器使用，這對(duì)于整個(gè)智能家居的安全都非常關(guān)鍵。

2.6 文件加密設(shè)計(jì)

AES 算法以其速度快、內(nèi)存需求量低、靈活、易維護(hù)等特點(diǎn)廣泛用于數(shù)字簽名、文檔加密中。AES根據(jù)其密鑰不同，可以分為AES-128、AES-192 和AES-256。

一個(gè)密碼很難保證安全，也不利于用戶分享，所以該設(shè)計(jì)通過隨機(jī)產(chǎn)生密碼的方式生成密鑰，然后加密文件。如圖3 所示，將文件以文件流的形式打開，將文件流使用AES128 算法加密，由用戶設(shè)立獨(dú)立密碼，根據(jù)用戶設(shè)定的密碼產(chǎn)生AES 密鑰，可以保證AES 密鑰能夠根據(jù)用戶的意愿產(chǎn)生，將加密后的文件以不同的后綴命名，然后上傳到FTP 服務(wù)器中。這樣AES 密鑰與文件相分離，即使拿到了私有云硬盤，也需要破解AES 加密的文件，若侵入了電腦通過動(dòng)態(tài)調(diào)試拿到密鑰，也很難再侵入到私有云硬盤，可以提供雙重保護(hù)，保護(hù)了文件的信息安全，并可由用戶選擇隨機(jī)生成密碼或者是固定密碼，隨機(jī)生成密碼對(duì)于用戶信息的存儲(chǔ)極其繁瑣，所以該設(shè)計(jì)將生成的隨機(jī)碼保存在電腦或手機(jī)上，通過文件名加密鑰的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，解密時(shí)可以通過用戶名查找密鑰進(jìn)行解密。文件存儲(chǔ)與密鑰存儲(chǔ)相分離，必須兩個(gè)設(shè)備同時(shí)破解才能解密出源文件，通過該文設(shè)計(jì)的一鍵喚醒模式，整個(gè)設(shè)備大多時(shí)間都會(huì)處于休眠狀態(tài)，可以很好地保證安全性。用戶也可以選擇不存儲(chǔ)密鑰，選擇其他方式保存密鑰，靈活的存儲(chǔ)方式，可以進(jìn)一步提高安全性。

圖3 隨機(jī)碼加密文件上傳至服務(wù)器

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

私有云存儲(chǔ)設(shè)備外接USB3.0的普通U盤，對(duì)設(shè)計(jì)的服務(wù)器進(jìn)行速度測(cè)試，電腦為i5-6200U@2.4 GHz，普通SSD 硬盤，外接USB 千兆網(wǎng)卡。其速度為傳輸文件的平均速度，并非理論上的速度，也不是傳輸?shù)姆逯?。其軟件版本都為OpenWRT19.07 系統(tǒng)，測(cè)試軟件與方法完全相同。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

MT7621 為千兆網(wǎng)卡，其傳輸速度比MT76x8 系列搭建的私有云系統(tǒng)有較大的提升，使用MT7621搭建私有云性價(jià)比更高一些，其速度對(duì)比如圖4所示。

MT7621 比MT76x8 在傳輸速度上有了很大的提升。如圖4(a)所示，AP 模式下，MT7621 的下載速度是MT76x8 傳輸速度的4.7 倍；如圖4(b)所示，上傳速度為2.6 倍；如圖4(c)所示，STA 模式下，MT7621 的傳輸速度是MT76x8 傳輸速度的2.3 倍；如圖4(d)所示，上傳速度為3.1 倍。

如圖4 所示，在模式的使用上，通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)可知，使用AP 模式會(huì)很大提升傳輸?shù)男剩ㄗh在固定場(chǎng)景中使用AP 模式傳輸，移動(dòng)場(chǎng)景使用STA 模式傳輸。上傳時(shí)還是會(huì)受到不同介質(zhì)的影響，該實(shí)驗(yàn)中使用的普通U 盤，讀寫速度已經(jīng)達(dá)到了很理想的狀態(tài)，達(dá)到了該文的設(shè)計(jì)目標(biāo)。使用HDD 硬盤或者SSD 硬盤效果會(huì)更好，該文是一個(gè)很好的參考方案。

圖4 MT7621與MT76x8速度對(duì)比

在外網(wǎng)進(jìn)行訪問時(shí)，使用Frp 方式，則局限于購(gòu)買的云服務(wù)器的帶寬和本身的傳輸速度，不同的云服務(wù)器的帶寬，結(jié)果不同，可按需購(gòu)買云服務(wù)器的帶寬與流量。

當(dāng)客戶端連接私有云的時(shí)間到達(dá)設(shè)定的閾值，就會(huì)斷開連接，此時(shí)MT7621 設(shè)備也會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，用戶使用客戶端再次點(diǎn)擊連接時(shí)就可以通過ESP07 模塊喚醒MT7621 設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在STA 模式下，直接使用微信小程序的Airkiss 進(jìn)行配網(wǎng)，簡(jiǎn)單快捷，無需單獨(dú)應(yīng)用程序。

加密文件的后綴名為fenc，此后綴名可以在代碼中進(jìn)行設(shè)置，可以對(duì)加密與非加密文件進(jìn)行分類，使用文件流加密，其加密前后的大小沒有發(fā)生變化，既不會(huì)占用更多空間，也不會(huì)在加密過程中造成文件損耗。

3.3 安全性分析

根據(jù)文獻(xiàn)[17]可知，AES 加密可以抵抗強(qiáng)力攻擊、Square 攻擊、差分密碼攻擊、代數(shù)攻擊等。使用AES 加密文件，有著較高的安全性，將加密文件存儲(chǔ)在私有云，將加密密鑰存儲(chǔ)在本地的電腦或者手機(jī)中，實(shí)現(xiàn)加密文件與加密密鑰分別存儲(chǔ)，保護(hù)文件的安全性。

4 結(jié)束語

該文以MT7621 搭載OpenWRT 系統(tǒng)并搭建FTP服務(wù)器實(shí)現(xiàn)文件的傳輸與存儲(chǔ)，在外網(wǎng)訪問時(shí)使用Frp 技術(shù)，并支持AP 模式和STA 模式，適合于多場(chǎng)景需要，通過ESP07 模塊的MQTT 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)一鍵喚醒，私有云在不使用時(shí)，進(jìn)入休眠狀態(tài)，不僅節(jié)約能源，也可以很好地保證安全。在STA 模式當(dāng)中，使用ESP07 模塊，可以實(shí)現(xiàn)一鍵配網(wǎng)，方便用戶的使用。該文設(shè)計(jì)在掛載普通USB 設(shè)備的前提下，其AP模式上傳速度可以達(dá)到10 MB/s 左右，下載速度為18 MB/s 左右。進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透后，可以隨時(shí)隨地訪問私有云存儲(chǔ)設(shè)備。通過QT 設(shè)計(jì)客戶端，方便使用，并且通過128 位的AES 進(jìn)行加密，將密鑰與文件分別存儲(chǔ)，保證文件的安全性，通過多種測(cè)試分析方法，證明AES128 加密有著很高的安全性。該項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)測(cè)試階段，目前運(yùn)行較為穩(wěn)定，對(duì)于相關(guān)人員有很好的參考借鑒意義，有較高的實(shí)用價(jià)值。