滾動(dòng)碼技術(shù)及其在加密鍵盤中的應(yīng)用

梁純

摘要：編碼的無線傳輸?shù)氖侄魏芏啵蠖嘁悦鞔a透明傳送。雖然方便，但安全可靠性無從談起，容易被類似裝置截獲和復(fù)制，并用于非法用途。本文介 紹了微芯公司（Microchip）內(nèi)嵌先進(jìn)的 Keeloq 技術(shù)的滾動(dòng)編解碼芯片 HCS301 的原理及加密、解密方法，提出了一種基于滾動(dòng)編解碼技術(shù)的新型加密鍵盤的方案，并給出了電路原理圖。這一方案可廣泛應(yīng)用于汽車、電動(dòng)車、公共自行車、銀行自動(dòng)存取款機(jī)和高檔樓宇門禁系統(tǒng)等高端安防系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)編解碼，HCS301，加密鍵盤

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-9129（2017）09-080-02

Abstract：Therearemanymethodsforwirelesstransmissionofcodingdata，butmostofthemaretransparenttransmission.Thoughit'sexpedient，butit'salsoin- tercepted by some similar devices， and used for illegal purpose. Thepaper shows the principle and advanced encrypting and decryption technique of the Keeloq CodeHoppingEncoderHCS301fromMicrochip.Andtheschemeandcircuitdiagramofanewtypeofcryptkeyarrgiven.Thisschemewillbebroadlyusedfor high-endsecurities，forexamplecars，electricbicycles，publicbicycles，banks'ATMandhigh-gradebuildingaccesssystem.

Key Words： Rolling coding， HCS301， Encryption keyboard

1 引言

常用的固定編解碼芯片如 LM1871/1872、PT2262/2272、EQ5026/5027 等已被廣泛地應(yīng)用于各種系統(tǒng)中，給我們的生活帶來了方便。然而這些芯片不能保證系統(tǒng)的安全性。例如：使用空中截獲設(shè)備，一旦用戶信號(hào)出現(xiàn)， 便可瞬間取得合法的身份識(shí)別碼，即地址碼；或者使用編碼掃描設(shè)備，嘗試所有可能編碼，主動(dòng)攻擊解碼芯片，像 PT2262/2272 芯片組破解時(shí)間不會(huì)超過 2 小時(shí)，因此保證系統(tǒng)的安全性是一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問題。

美國(guó) Microchip 公司的 Keeloq 技術(shù)是一種復(fù)雜的非線性加密算法，經(jīng)過加密得到的就是所謂的滾動(dòng)碼。由于算法生成的動(dòng)態(tài)編碼僅一次性有效，編碼間無相關(guān)性，無法預(yù)測(cè)、跟蹤、截取、破譯，從而有效克服傳統(tǒng)固定

編碼缺點(diǎn)，提供強(qiáng)大、可靠的加密、認(rèn)證性能，保密性極高，可應(yīng)用于各種

其中，64-bit編碼密碼由非線性加密算法根據(jù)保密的芯片制造商代碼

（Manufacture's code）和序列號(hào)計(jì)算生成，與具體芯片一一對(duì)應(yīng)，是加密、解密不可缺少的重要依據(jù)。

3 加密原理

HCS301 的編碼加密過程如圖 2 所示。當(dāng)檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)，編碼器立即讀取按鍵的狀態(tài)，同時(shí)刷新同步計(jì)數(shù)器，使同步碼的值加 1。然后， 16-bit 同步計(jì)數(shù)碼和 64-bit 編碼密碼被輸入 Keeloq 加密算法，經(jīng)運(yùn)算，生成 32-bit 加密信息，即滾動(dòng)碼。這 32-bit 數(shù)據(jù)是傳輸碼的滾動(dòng)部分，其值隨著按鍵狀態(tài)的改變而變化。由于加密算法極其復(fù)雜，因此滾動(dòng)碼重復(fù)的機(jī)率極小。32-bit 滾動(dòng)碼、28-bit 芯片序列號(hào)和 6-bit 信息碼合并，形成

66- bit 傳輸編碼（Transmittedcode）傳送給接收解碼器。

保密系統(tǒng)，具有較高安防價(jià)值的場(chǎng)所等，有著很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

2HCS301 簡(jiǎn)介

HCS301 是 Microchip 公司基于 Keeloq 技術(shù)開發(fā)的滾動(dòng)碼系列芯片之一，廣泛應(yīng)用于遙控或命令辨別的應(yīng)用場(chǎng)合。圖 1 所示為芯片原理框圖。

HCS301芯片內(nèi)部有一塊192-bi（t12×16-bit）的EEPROM，用于存儲(chǔ) 64-bit 編碼密碼 （Crypt Key）、16-bit 同步計(jì)數(shù)碼 （Synchronization Value）、32-bit 芯片序列號(hào)（Serial Number）、32-bit 密鑰種子（Seed Value）和 16-bit 配

EEPROM

4 解密原理

Keeloq 加密算法

66-bit傳輸碼

圖 2 加密原理框圖

置字（Config Word） 。表 1 給出了EEPROM 存儲(chǔ)單元映射表。

解密方法包括硬件解密和軟件解密兩種。硬件解密使用專用解碼芯

片（例如 HCS512 等），編程簡(jiǎn)單，但成本較高；軟件解密使用帶有解碼固件的微控制器。解碼固件程序，必須由開發(fā)者與 Microchip 公司簽定保密協(xié)議，由 Microchip 公司授權(quán)使用。

無論使用何種方法，解碼器必須經(jīng)過“學(xué)習(xí)”才能使用。學(xué)習(xí)的過程實(shí)質(zhì)上是解碼器獲取芯片序列號(hào)、解碼密碼和同步計(jì)數(shù)碼的過程。典型的學(xué) 習(xí)步驟如圖 3 所示。

5 在密碼輸入鍵盤中的應(yīng)用

密碼鍵盤廣泛應(yīng)用于各種無人值守場(chǎng)合的門禁系統(tǒng)，系統(tǒng)安全性尤為重要。借鑒矩陣鍵盤的結(jié)構(gòu)，考慮到解碼時(shí)間對(duì)按鍵響應(yīng)的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了下面的方案：兩片 HCS301 構(gòu)成 4×4 矩陣鍵盤，負(fù)責(zé)對(duì)按鍵進(jìn)行加密編碼傳輸；由通用陣列邏輯 GAL 實(shí)現(xiàn) 16 輸入、8 輸出的組合邏輯，輸入對(duì)應(yīng)于 16 個(gè)按鍵，輸出則對(duì)應(yīng)于兩片 HCS301 的 8 個(gè)輸入端。當(dāng)有鍵按下時(shí)，兩片 HCS301 都只有一個(gè)輸入端同時(shí)有效，并輸出兩路滾動(dòng)碼

raw 和 line。硬件電路圖如圖 5（a）所示。

圖 3 學(xué)習(xí)過程示意圖

6 結(jié)論

圖 5 密碼鍵盤原理圖

滾動(dòng)碼技術(shù)編碼位數(shù)多，且相鄰兩次編碼均不重復(fù)，因此掃描和截獲

均無法破譯，系統(tǒng)安全性能極高。改進(jìn)后的加密鍵盤可滿足不同場(chǎng)合的使 用要求，稍作修改還可應(yīng)用于電子門鎖、軟件保護(hù)、秘密通訊等領(lǐng)域。

圖 4 解密原理框圖

解碼電路采用帶解密固件程序的 PIC16F72 微控制器，制造商代碼和序號(hào)放在 I？C 接口 EEPROM AT24C01 中供解密程序查用。接收電路收到行碼（raw）和列碼（line）后，經(jīng)解密確認(rèn)被按下鍵的鍵值，輸出執(zhí)行請(qǐng)求的

Inc.

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