黃 友，張向文，許 勇，潘 明，任風(fēng)華

(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004)

基于AES算法的滾碼技術(shù)在汽車防盜系統(tǒng)中的應(yīng)用*

黃 友，張向文，許 勇，潘 明，任風(fēng)華

(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004)

滾動(dòng)編碼技術(shù)以其多變性、抗截獲、安全性和可靠性較高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于車輛防盜報(bào)警系統(tǒng)中。基于AES加密算法,結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種滾動(dòng)編碼的方法，并將其運(yùn)用到汽車防盜系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)測試分析表明，該設(shè)計(jì)具有安全可靠性高、資源消耗小、執(zhí)行效率高等特點(diǎn)。

滾動(dòng)編碼； AES；汽車防盜系統(tǒng)

1 引言

車輛防盜是車輛安全的一個(gè)重要方面，車輛防盜系統(tǒng)則是車輛安全的堅(jiān)實(shí)保障。滾動(dòng)編碼(以下簡稱滾碼)技術(shù)是一種多變性、抗截獲、安全性和可靠性較高的非線性加密解密技術(shù)[1]。每一次發(fā)送的代碼都是唯一的、不規(guī)則的，且不重復(fù)，使得所有非法捕捉和掃描跟蹤等破譯手段都無法有效實(shí)施。滾碼技術(shù)作為RKE(Remote Keyless Entry)系統(tǒng)的基本組成部分，廣泛應(yīng)用于車輛防盜報(bào)警系統(tǒng)。美國Microchip公司的專利技術(shù)KEELOQ滾動(dòng)碼是目前汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)中最常用的滾碼技術(shù)[2]，其利用集成電路設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，把這項(xiàng)技術(shù)封裝在芯片里。運(yùn)用硬件實(shí)現(xiàn)加密滾碼，效率較高，但也存在成本高、可擴(kuò)展功能弱、配鑰匙過程復(fù)雜及系統(tǒng)靈活性差等缺陷。

本文主要基于AES(Advanced Encryption Standard)加密算法，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種滾動(dòng)編碼的方法并運(yùn)用到汽車防盜系統(tǒng)中。

2 汽車RKE系統(tǒng)的組成及原理

2.1 汽車RKE系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

RKE系統(tǒng)由安裝于車內(nèi)的主控單元和車主隨身攜帶的無線鑰匙模塊組成，其基本結(jié)構(gòu)見圖1。

Figure 1 RKE system basic structure圖1 RKE系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，安裝于車內(nèi)的主控單元主要由主控MCU、無線收發(fā)模塊、車門電子鎖控制單元組成；車主終端為無線鑰匙模塊，其主要組成部分為微控制器、無線收發(fā)器及相關(guān)功能按鍵。

2.2 工作原理

無線鑰匙模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)鑰匙功能按鍵數(shù)據(jù)的處理及數(shù)據(jù)的發(fā)送；主控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)無線鑰匙數(shù)據(jù)的接收，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)識(shí)別無線鑰匙的按鍵功能(配鑰匙、關(guān)鎖或者開鎖)。當(dāng)接收到的是配鑰匙數(shù)據(jù)，主控單元的微控制器運(yùn)算單元對(duì)配鑰匙數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過無線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)與無線鑰匙的雙向無線通信握手協(xié)議，最終完成配鑰匙的機(jī)制；當(dāng)接收到的是開鎖或關(guān)鎖的滾碼數(shù)據(jù)，主控單元通過控制無線收發(fā)器接收來自無線鑰匙的密文數(shù)據(jù)，使用配鑰匙時(shí)記錄的解密密鑰對(duì)密文進(jìn)行解密，通過對(duì)解密數(shù)據(jù)中無線鑰匙序列號(hào)和滾碼計(jì)數(shù)值的驗(yàn)證及按鍵功能碼的識(shí)別，進(jìn)而控制車門電子鎖繼電器的通或斷操作。

3 AES加密算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)

AES是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)，用來替代原先的DES(Data Encryption Algorithm)[3]。AES因其密鑰的無限制、不存在弱密鑰、能有效抵抗目前已知的多種攻擊方法(如差分攻擊、相關(guān)密鑰攻擊、插值攻擊等)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛使用[4]。

一輪AES由四步組成：字節(jié)替代、行移變換、列混合變換、輪密鑰加變換[5]。AES算法的一次迭代流程如圖2所示。其中，字節(jié)替代可以單獨(dú)完成，形成一個(gè)16*16的列表并存儲(chǔ)到運(yùn)算程序中[6]。通過替代前字節(jié)1的高四位對(duì)應(yīng)列表的行，低四位對(duì)應(yīng)列表的列進(jìn)行查找，相應(yīng)行列交匯表中的字節(jié)便是該字節(jié)1經(jīng)過字節(jié)替代運(yùn)算后的字節(jié)，而該列表簡稱S盒。每一次迭代所使用的子密鑰,其擴(kuò)展運(yùn)算主要通過GF(28)域運(yùn)算來完成[5]。

Figure 2 An AES algorithm iterative process圖2 AES算法一次迭代流程

無線終端由于其計(jì)算能力弱及存儲(chǔ)量小等特點(diǎn)，使其對(duì)于復(fù)雜運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理比較敏感[7]。為了使AES算法能更好地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，在保證數(shù)據(jù)安全性的同時(shí)，應(yīng)盡量壓縮運(yùn)算機(jī)制，提高運(yùn)算效率[8]。在本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)AES加密運(yùn)算過程進(jìn)行一定的優(yōu)化，以適應(yīng)運(yùn)算微控制器的特點(diǎn)。具體優(yōu)化思路如下：

(1)確定迭代的輪數(shù)為11，即從第0～第10次進(jìn)行迭代。鑰匙模塊使用的微控制器RAM僅有6 KB，無法滿足加密運(yùn)算過程大量數(shù)據(jù)的緩存。對(duì)于具有其唯一序列號(hào)的無線鑰匙，其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)加密密鑰也具有唯一性，因此子密鑰的擴(kuò)展運(yùn)算可以單獨(dú)完成。將運(yùn)算得到的子密鑰固化到程序中，在實(shí)際使用時(shí)，每次只讀出一個(gè)子密鑰進(jìn)行迭代運(yùn)算，這樣會(huì)大大減少M(fèi)CU內(nèi)部RAM的使用。

(2)在11輪的迭代運(yùn)算過程中，每一次迭代運(yùn)算使用的中間變量在完成本次迭代運(yùn)算后全部清零，只保留本輪迭代的最終密文。這樣可降低MCU的轉(zhuǎn)換運(yùn)算難度，提高整體的運(yùn)算效率，同時(shí)也能盡量的減少對(duì)MCU內(nèi)部RAM的使用率。

(3)為了保證加密、解密密鑰的安全性，在配鑰匙的過程中，使用密鑰加密密鑰對(duì)配鑰匙數(shù)據(jù)進(jìn)行AES加密運(yùn)算，得到的最終密文作為該鑰匙的數(shù)據(jù)加密與解密密鑰。

4 滾動(dòng)編碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

(1) 配鑰匙過程：無線鑰匙初始化。

首先，在無線鑰匙端，當(dāng)微控制器程序固化后，會(huì)將本鑰匙的序列號(hào)(8字節(jié))固化到程序中。使用主控單元具有的一組固定碼(8字節(jié))，組合本鑰匙的序列號(hào)，得到一組16字節(jié)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過密鑰加密密鑰(只有主控單元知道)的AES加密算法優(yōu)化運(yùn)算得到一組與本鑰匙唯一配套的密文(16字節(jié))作為本鑰匙的加密密鑰。至此，無線鑰匙的加密密鑰形成，與無線鑰匙的序列碼一同固化到該鑰匙的微控制器程序中。當(dāng)車主按下無線鑰匙的配鑰匙專用按鍵，向主控單元發(fā)送一組配鑰指令、滾碼計(jì)數(shù)初始值及本鑰匙的序列號(hào)并將滾碼計(jì)數(shù)初始值保存到EEPROM存儲(chǔ)單元中。主控單元處理配鑰匙的過程如圖3所示。

Figure 3 Master unit processing for the key圖3 主控單元處理配鑰匙過程

如圖3所示，主控單元無線收發(fā)器接收到配鑰匙指令后，識(shí)別鑰匙序列號(hào)的有效性，保存滾碼計(jì)數(shù)初始值，提取鑰匙序列碼(8字節(jié))與其自身的一組固定碼(8字節(jié))組合得到一組16字節(jié)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過密鑰加密密鑰(固化于程序中，只有主控單元知道)的AES加密算法優(yōu)化運(yùn)算得到一組與本鑰匙唯一配套的密文(16字節(jié))作為當(dāng)前配備鑰匙的數(shù)據(jù)加密密鑰，配鑰完成后，主控單元將確認(rèn)信息發(fā)回到無線鑰匙端，確定使用新的密鑰，同時(shí)將舊的密鑰注銷。

(2) 正常工作過程：滾碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

在新的無線鑰匙配備并啟用后，無線鑰匙可進(jìn)入到正常工作過程。當(dāng)車主按下無線鑰匙的開、關(guān)鎖相關(guān)按鍵，無線鑰匙的微控制器將保存于EEPROM中的滾碼計(jì)數(shù)值讀出，并將當(dāng)前計(jì)數(shù)值加1保存回EEPROM中。將讀出的當(dāng)前計(jì)數(shù)值與無線鑰匙序列碼、按鍵功能碼組合成一組16字節(jié)的數(shù)據(jù)，使用本鑰匙的加密密鑰對(duì)該組16字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行AES加密算法優(yōu)化運(yùn)算得出相應(yīng)的16字節(jié)的密文數(shù)據(jù)，通過控制無線收發(fā)器將密文發(fā)出。

主控單元接收到來自無線鑰匙的加密數(shù)據(jù)，將保存于主控單元EEPROM中的無線鑰匙的解密密鑰、無線鑰匙序列碼及滾碼計(jì)數(shù)值讀出。使用讀出的解密密鑰對(duì)接收到的密文進(jìn)行解密，提取無線鑰匙的序列號(hào)與滾碼計(jì)數(shù)值與自身讀出的序列碼和滾碼計(jì)數(shù)初始值進(jìn)行驗(yàn)證比較，當(dāng)確認(rèn)獲得的序列號(hào)與滾碼計(jì)數(shù)值有效后，提取解密數(shù)據(jù)的按鍵功能碼，通過按鍵功能碼識(shí)別是開鎖數(shù)據(jù)還是關(guān)鎖數(shù)據(jù)，并通過電子鎖的繼電器控制單元對(duì)車門電子鎖執(zhí)行相關(guān)的操作[9]，如圖4所示。

Figure 4 Normal work flow of the system圖4 系統(tǒng)正常工作流程圖

5 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的微控制器主要為基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM微控制器STM32，其具有低成本、低功耗等特點(diǎn)。其他組成部分為433 MHz無線收發(fā)器nRF905、EEPROM存儲(chǔ)器AT24C04、車門電子鎖繼電器控制單元及按鍵，系統(tǒng)的硬件連接如圖5和圖6所示。

Figure 5 Wireless key hardware logic圖5 無線鑰匙硬件

Figure 6 Master unit hardware logic圖6 主控單元硬件

6 AES算法的軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試

6.1 AES算法的加密與解密程序

由第2節(jié)內(nèi)容可知，對(duì)于 AES加密算法的優(yōu)化運(yùn)算，首先子密鑰的擴(kuò)展單獨(dú)完成后以數(shù)字表W的形式固化到程序中，在使用時(shí)程序直接調(diào)用W[i]即可。使用的迭代輪數(shù)為11次， AES加密算法的加密程序流程圖如圖7所示。

Figure 7 AES encryption process圖7 AES加密程序流程

首先，原始密鑰作首輪加入密鑰異或運(yùn)算，初始化迭代計(jì)數(shù)值；其次，按照字節(jié)替代、行移變換、列混合、加入子密鑰運(yùn)算的循環(huán)步驟進(jìn)行10次迭代運(yùn)算，其中第10次迭代運(yùn)算不用進(jìn)行列混合運(yùn)算；最后，獲得最終加密密文，退出加密程序。

AES的解密為AES加密的逆運(yùn)算過程，程序流程圖如圖8所示。

Figure 8 AES decryption process圖8 AES解密實(shí)現(xiàn)程序流程

首先，加入第10次的子密鑰異或運(yùn)算并對(duì)迭代計(jì)數(shù)值進(jìn)行初始化設(shè)置；其次，解密過程主要按照加入子密鑰運(yùn)算、列混合、行移變換、字節(jié)替代的順序進(jìn)行迭代逆運(yùn)算，其中，最后一次不用進(jìn)行列混合運(yùn)算；最后，由傳入的密文進(jìn)行解密運(yùn)算后還原出明文數(shù)據(jù)。

6.2 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

無線鑰匙發(fā)送的開關(guān)鎖滾碼數(shù)據(jù)報(bào)文共16字節(jié)，其報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖9所示。其中，報(bào)頭為1個(gè)字節(jié)，在此設(shè)定為0x11；無線鑰匙序列碼為8個(gè)字節(jié)，在此設(shè)為0xfe，0xfe, 0xfe, 0xfe, 0xfe, 0xfe, 0xfe,0xfe；功能碼占1個(gè)字節(jié)，關(guān)鎖設(shè)定為0xff，開鎖設(shè)定為0xee；計(jì)數(shù)值占5個(gè)字節(jié)，計(jì)數(shù)范圍從0到1 099 511 627 776；校驗(yàn)碼占1個(gè)字節(jié)，設(shè)定為0x08。

Figure 9 Code rolling message
圖9 滾碼數(shù)據(jù)報(bào)文

在測試過程中，在無線鑰匙端發(fā)送配鑰、開關(guān)鎖數(shù)據(jù)，在主控端接收數(shù)據(jù)并通過串口終端打印接收和處理的數(shù)據(jù)，通過對(duì)打印數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證滾碼數(shù)據(jù)的加密及解密的配對(duì)性及滾動(dòng)性，如圖10所示。

Figure 10 Data from serial port terminal圖10 串口終端打印數(shù)據(jù)

在此，從主控端串口終端打印的數(shù)據(jù)中選取連續(xù)三次按鍵計(jì)數(shù)值0x00000000ff、0x0000000100、0x0000000101發(fā)送滾碼密文分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，使用改進(jìn)AES加密算法實(shí)現(xiàn)對(duì)無線鑰匙滾碼數(shù)據(jù)的加密，滾碼前后兩次密文位數(shù)變化量分別為78位和65位，占128位總位數(shù)的61%和51%，前后密文位變化率較大。由此可見，本文對(duì)AES加密算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的加密安全性，實(shí)現(xiàn)了滾碼的應(yīng)用要求。

7 結(jié)束語

本文重點(diǎn)討論了汽車防盜系統(tǒng)中無線鑰匙滾碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種AES加密算法的優(yōu)化運(yùn)算方法，并運(yùn)用到汽車安全防盜系統(tǒng)中。通過對(duì)硬件與軟件的設(shè)計(jì)及大量的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的可行性。雖然本設(shè)計(jì)是在MCU有限的資源下實(shí)現(xiàn)的，但所選MCU本身具有較高的執(zhí)行效率，通過對(duì)滾碼數(shù)據(jù)的對(duì)比及系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)分析，驗(yàn)證了該加密算法的可行性及安全可靠性，說明該算法具有資源消耗小、執(zhí)行效率高等特點(diǎn)。

Table 1 Contrast of roll code testing data表1 滾碼測試數(shù)據(jù)對(duì)比

[1] Yuan Gang,Hou Zheng-feng.Software implementation of code hopping[J]. Journal of Hefei University of Technology,2009,32(12):1859-1862.(in Chinese)

[2] Cheng He-sheng,Ding Lu,Wang Dan-dan. Microchip passive keyless entry system reference design[J]. Computer of Technology and Development,2011,21(4):171-174.

[3] Wang Xian-pei, Zhang Ai-ju, Xiong Ping, et al. A new advanced encryption standard-AES[J]. Computer Engineering,2009,29(3):69-70.(in Chinese)

[4] Han Wen. Analysis and its safety research of AES encryption algorithm[J]. Computer Application of Petroleum,2008,16(2):2-5.

[5] Yu Gong, Niu Qiu-na, Zhu Xi-jun,et al. Theory and practice of modern cryptography[M]. Xi’an:Xidian University Press,2009.(in Chinese)

[6] Hu Wei, Mu De-jun, Liu Hang, et al. Design and implementation of encrypted mobile hard disk drive[J]. Computer Engineering and Applications,2010,46(22):62-64.(in Chinese)

[7] Fu Jie,Lu Jian-zhu,Zheng Xuan. Efficient interleaved encryption scheme in wireless sensor networks[J]. Computer Engineering and Applications,2010,46(18):119-124.

[8] Canright D, Qsrik D A. A more compact AES[C]∥Proc of SAC’09,2009:157-16.

[9] Huang He,Liu Yin-feng,Li Hui. Research on automobile anti-theft system[J]. Microcomputer Applications,2002, 23(1):28-30.(in Chinese)

附中文參考文獻(xiàn)：

[1] 袁剛,侯整風(fēng).PKE系統(tǒng)中滾碼技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,32(12):1859-1862.

[2] 程和生,丁路,王丹丹.基于Microchip公司的被動(dòng)門禁系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2011,21(4):171-174.

[3] 王先培,張愛菊,熊平,等.新一代數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)-AES[J].計(jì)算機(jī)工程,2009,29(3):69-70.

[4] 韓雯.AES加密算法分析及其安全性研究[J].石油工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2008,16(2):46-48.

[5] 于工,牛秋娜,朱習(xí)軍,等.現(xiàn)代密碼學(xué)原理與實(shí)踐[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

[6] 胡偉,慕德俊，劉航，等.移動(dòng)硬盤硬件加密的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(22):62-64.

[7] 付杰,盧建朱,鄭旋.一種改進(jìn)的高效無線傳感器網(wǎng)交叉加密方案[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(18):119-124.

[9] 黃河,劉銀峰,李輝.汽車防盜系統(tǒng)研究[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2002,23(1):28-30.

HUANGYou,born in 1987,MS candidate,his research interest includes automobile electronics.

AnAESbasedcoderollingtechnologyanditsapplicationinvehicleanti-theftsystem

HUANG You,ZHANG Xiang-wen,XU Yong,PAN Ming,REN Feng-hua

(School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

The code rolling technology has the characteristics of variability, intercept resisting, higher security and higher reliability, and it is widely used in vehicle anti-theft alarm system. Based on AES (Advanced Encryption Standard) encryption algorithm and considering the actual application of the system, a code rolling method is proposed and applied in vehicle anti-theft system. The tests prove that the method is safe and reliable, and has lower resource consumption and higher efficiency.

code rolling;AES;vehicle anti-theft system

2012-08-13;

：2012-12-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60804059)；廣西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2010GXNSFA013130)

1007-130X(2014)02-0376-05

TP277

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.02.030

黃友(1987-),男,廣西南寧人，碩士生，研究方向?yàn)槠囯娮?。E-mail:ktomrz.2007@163.com

通信地址：541004 廣西桂林市桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院Address:School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,Guangxi,P.R.China