??? 摘? 要: KEELOQ技術(shù)是一種重要的安全加密解密技術(shù),它具有多變化,抗截獲的特性。該技術(shù)的重要部分是保密的,只掌握在國外少數(shù)幾家公司手中。提出了一種實用可靠的KEELOQ算法,并給出了實現(xiàn)算法的軟件流程。 ?
??? 關(guān)鍵詞: KEELOQ技術(shù)? 加密? 解密? 同步
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??? KEELOQ技術(shù)作為一種保密的高新技術(shù),對許多人來說比較陌生,但是它正廣泛應(yīng)用于各種防盜報警系統(tǒng)(特別是車輛的防盜報警系統(tǒng))、遙控電子鎖及其他安全控制領(lǐng)域。它是一種多變化、抗截獲、安全可靠的跳碼加密解密技術(shù)。目前這項先進技術(shù)只掌握在國外少數(shù)幾家公司手中,他們利用集成電路設(shè)計的優(yōu)勢,把這項技術(shù)封裝在芯片里,向用戶銷售。工程師基于他們提供的硬件做一些開發(fā),很多時候感到不方便。KEELOQ技術(shù)其實是一種復(fù)雜的協(xié)議,只要弄清楚它的原理,就可以根據(jù)實際需要在這個協(xié)議里選擇合適的參數(shù)。本文對KEELOQ技術(shù)進行了專門研究,提出了一種軟件實現(xiàn)方法,并將這一方法應(yīng)用于汽車防盜報警系統(tǒng)中。?
1 KEELOQ技術(shù)的一般特點?
??? KEELOQ技術(shù)作為一種安全實用的加密解密技術(shù),具有以下特點:?
??? (1)將KEELOQ技術(shù)應(yīng)用于通信中,安全性非常好。同一條命令,經(jīng)KEELOQ編碼后每次得到的碼字都不相同(在一個非常長的周期里),且這種變化是無規(guī)律的。?
??? (2)發(fā)送方發(fā)送的碼只能被一個特定的對象有效接收,接收方只有預(yù)先取得(通過學習)發(fā)送方的加密鑰匙后,才能對接收到的數(shù)據(jù)進行有效解密。?
??? (3)特定的對象只有經(jīng)過學習某一發(fā)送者的信息后,才能使用。?
??? (4)這種技術(shù)能防止發(fā)送的碼被截獲后再轉(zhuǎn)發(fā)帶來的危害。?
??? (5)接收方能隨時清除自己保存的學習信息,使原來的發(fā)送方不能控制自己,這樣能有效避免第三方非法使用。?
??? 正是這些特點使得KEELOQ技術(shù)越來越受重視,越來越被廣泛使用。?
2 硬件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)?
??? 基于KEELOQ技術(shù)的專用芯片分為兩種:一種實現(xiàn)加密功能,一種實現(xiàn)解密功能,通常配合起來使用。實現(xiàn)加密功能的芯片帶有4個按鍵接口,組合使用可達15種功能。每一次有鍵按下,就自動生成KEELOQ加密碼。KEELOQ加密碼的組成一般如下:?
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??? 一旦芯片制造出來,上述項的長度就是確定的。如序列號的長度設(shè)計成28位,整個系統(tǒng)的容量就不會超過268435455(228-1),如果想擴展系統(tǒng)容量非常不方便。這種芯片在使用前必須預(yù)置一些初值(序列號、加密鑰匙、同步計數(shù)器)。在發(fā)送方和接收方一起工作前,接收方必須先通過學習來獲得并存儲發(fā)送方的序列號、加密鑰匙和當前同步計數(shù)器的值。學習是KEELOQ技術(shù)的一個重要方面。?
??? 硬件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)加密過程如圖1所示。?
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??? 序列號用來標識不同的對象;加密鑰匙用來對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行加密,增加破譯的難度,它不直接發(fā)送出去;同步計數(shù)器是用來抗截獲的,每次有鍵按下,同步計數(shù)器的值就被更新,它經(jīng)過加密變換后被發(fā)送出去。?
??? 硬件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)解密過程如圖2所示。?
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??? 接收方在確認序列號匹配后,對接收的數(shù)據(jù)進行解密,然后檢查同步計數(shù)器是否匹配,在確認其匹配后,再去處理接收到的按鍵信令。?
??? 經(jīng)過使用發(fā)現(xiàn)用硬件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)存在下列不足之處:?
??? (1)硬件成本高,在使用KEELOQ芯片時,還需要一個單片機(MCU)來控制,量產(chǎn)時這點顯得比較突出。?
??? (2)按鍵信令必須組合(同時按下1個以上的鍵),否則只有4 種功能,通過組合最多只有15種功能。這導(dǎo)致按鍵不方便、功能擴展幾乎不可能。?
??? (3)某一特定型號的芯片其序列號和同步計數(shù)器的長度是固定的。當系統(tǒng)建成后,開發(fā)者如果想只通過軟件升級來擴充系統(tǒng)的容量或提高系統(tǒng)的性能、用硬件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)基本不可能。?
??? (4)KEELOQ技術(shù)對按鍵信令編碼只停留在檢錯這一層面上,沒有作糾錯層面的編碼。?
??? (5)受硬件設(shè)計限制,靈活性差;不擁有核心技術(shù),容易受制于人。?
??? 正是這些不足之處促使我們研究用軟件來實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)。?
3 軟件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)?
??? KEELOQ技術(shù)的核心是KEELOQ算法,KEELOQ算法作為KEELOQ技術(shù)的重要部分是保密的。經(jīng)過長時間的探索、研究、驗證,本文提出了一種可靠的KEELOQ算法,并將其成功應(yīng)用到汽車防盜報警系統(tǒng)中,取得了非常好的效果。?
??? 序列號和加密鑰匙選用32位的m序列,對于一個用戶而言,其加密鑰匙和序列號不相同。同步計數(shù)器的長度從理論上講越長越好,但是如果越長其他方面的開銷就越大,這里選用16位的m序列。汽車防盜器由兩部分組成:裝在車身上的部分稱之為座機;手持控制部分稱之為手機。為了節(jié)省硬件開銷,手機只設(shè)計三個按鍵,無組合按鍵,一共有12種按鍵功能。每個鍵有四種狀態(tài):一點按、兩點按、三點按、長按。這12種按鍵又分成兩類:一是控制座機操作的命令控制鍵(包括學習啟動鍵),一是手機自身操作鍵。每次按下命令控制鍵,就執(zhí)行KEELOQ加密過程。軟件實現(xiàn)KEELOQ加密操作流程如圖3所示。?
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??? 對按鍵信令進行糾錯編碼處理是必要的:假設(shè)某次按鍵信令為0110,經(jīng)信道傳輸后,接收方解密得到的碼字變?yōu)?101,而0101也表示一種有效的命令。顯然,這種誤操作帶來的后果是嚴重的。用Walsh碼編碼,經(jīng)過編碼后,能同時發(fā)現(xiàn)并糾正3個或3個以內(nèi)的錯誤;同時根據(jù)編碼的特點,用加密鑰匙對編碼后的按鍵信令做變換處理。試驗表明這些措施極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。?
??? KEELOQ算法的關(guān)鍵之處在于同步計數(shù)器。如前所述,手機在第一次使用前必須預(yù)置有效的序列號、同步計數(shù)器值、加密鑰匙。座機通過控制可以學習任何一只手機,學習成功后保存該手機的序列號、同步計數(shù)器值、加密鑰匙。每次按下命令控制鍵時,手機的同步計數(shù)器的值加1(僅僅只有一位發(fā)生變化),經(jīng)過m序列發(fā)生器,從統(tǒng)計的角度看,有一半的位發(fā)生改變。接收方在確認接收數(shù)據(jù)的序列號匹配后,對接收數(shù)據(jù)進行解密,然后確定同步計數(shù)器是否匹配,只有同步計數(shù)器確認匹配后,才處理接收的按鍵信令。通過圖4來說明確認同步計數(shù)器的匹配過程。
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??? KEELOQ技術(shù)是通過一個復(fù)雜的同步技術(shù)來實現(xiàn)的。雖然開發(fā)的防盜系統(tǒng)是雙向通信的,但為了方便,將座機稱為接收方,手機稱為發(fā)送方。接收方判斷解密后的同步計數(shù)器的值是否在單次操作范圍內(nèi)。如果在,就用接收到的同步計數(shù)器值替換原來的同步計數(shù)器的值,并執(zhí)行接收到的命令;否則,看是否在雙次操作范圍內(nèi)。如果在,則暫存該計數(shù)器的值,并等待接收下一次有效數(shù)據(jù)。在這種情況下,如果接收到數(shù)據(jù),在確認同步計數(shù)時就判斷接收到的同步計數(shù)器的值是否在上次暫存同步計數(shù)器值的單次操作范圍內(nèi)。如果在,用當前接收到的同步計數(shù)器值替換原來的同步計數(shù)器的值,并執(zhí)行命令;如果發(fā)送方的同步計數(shù)器的值不在接收方的雙次操作范圍內(nèi),則該命令不被執(zhí)行,且同步計數(shù)器的值不被保存。這個發(fā)送方必須被接收方學習后才能對接收方進行有效控制。由于接收方每次接收到有效命令后,就更新自己同步計數(shù)器的值,使前一次用過的同步計數(shù)器的值成為禁用碼,不再有效。這樣就能夠避免發(fā)送的碼被截獲而再轉(zhuǎn)發(fā)帶來的危害。?
??? 需要說明的是上述單次操作范圍、雙次操作范圍,以及同步計數(shù)器的長度可以根據(jù)實際需要來選擇。由于同步計數(shù)器非常重要,算法在處理時對它進行了檢錯編碼處理。軟件實現(xiàn)KEELOQ解密操作流程如圖5所示。?
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??? 在KEELOQ技術(shù)中,學習功能是一個重要部分。學習包括清除原來存儲的信息和學習新的信息,它分為一般學習和安全學習兩種。本文采用安全學習方式。通過長按座機上的學習清除鍵(該鍵有兩種功能:長按為清除功能,點按為進入學習模式)來清除原來手機的信息(原來的手機就不能控制該座機,必須通過學習后才能控制),點按座機上的學習清除鍵,如果座機上的原來信息已被清除,則進入學習模式;否則,點按無效,不進入學習模式。這時,如果手機發(fā)送學習啟動命令給座機,處于學習狀態(tài)的座機收到命令后立即向手機發(fā)送請求學習信號,收到請求信號后,手機將經(jīng)過變換處理后的加密鑰匙和同步計數(shù)器立即發(fā)給座機,發(fā)完之后就退出學習狀態(tài),并保存新的加密鑰匙和同步計數(shù)器值;座機確認數(shù)據(jù)有效后,就保存加密鑰匙和同步計數(shù)器值并退出學習模式,學習成功;如果數(shù)據(jù)無效,座機仍然在學習模式,需要繼續(xù)學習。每次學習時手機發(fā)給座機的加密鑰匙和同步計數(shù)器都不相同(無規(guī)律變化),這是安全學習的主要特點。為了更安全,座機最多只能學習一支手機的信息。安全學習操作流程如圖6所示。?
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??? 可以看到,用軟件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)并不復(fù)雜,一般的單片機就夠用。手機部分選用的是華邦(WINBOND)4位單片機,座機部分選用飛利浦(PHILIPS)8位單片機。用軟件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)靈活性很大:手機按鍵可根據(jù)需要進行設(shè)計(仿移動電話按鍵設(shè)計);序列號、加密鑰匙、同步計數(shù)器長度可根據(jù)需要進行選擇,以后升級或改變都比較容易;手機發(fā)送的按鍵信令進行糾錯編碼,用加密鑰匙對發(fā)送數(shù)據(jù)進行編碼時可以有重點地做一些復(fù)雜的變換處理。有些廠家宣稱他們能做到同一條按鍵信令約42.9(232-1)億次無重復(fù)發(fā)送,其實只要增加加密鑰匙和同步計數(shù)器的長度就可以做到這點,甚至比這更多次的無重復(fù)發(fā)送。這些都可以根據(jù)客戶對系統(tǒng)要求的變化而進行軟件上的修改,不需要改變硬件設(shè)計。總之,用軟件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù),可以節(jié)約硬件成本,系統(tǒng)設(shè)計可以更少依賴于硬件,系統(tǒng)性能還能做到更優(yōu)越可靠。?
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