應用于PEPS系統的滾動碼技術研究

程和生，程和俠

(1.合肥師范學院 計算機系，安徽 合肥 230000；2. 安慶師范學院 計算機與信息學院，安徽 安慶 246133)

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應用于PEPS系統的滾動碼技術研究

程和生1，程和俠2

(1.合肥師范學院 計算機系，安徽 合肥 230000；2. 安慶師范學院 計算機與信息學院，安徽 安慶 246133)

摘要：結合滾動碼加密技術和無線通信技術，設計了一款無鑰匙進入和啟動汽車的系統(PEPS)，采用芯片PIC16F886作為主控應答器主控芯片。本系統在沒有人為操作的情況下，可以自行識別用戶并開啟門鎖。系統的關鍵技術是數據安全，根據PEPS的特點及其安全方面的需求，本文提出了一種改進的16位AES加密算法，滾動碼數據部分采用改進的AES算法兩次加密，實現了32位數據的加密。在保證安全的前提下，大大提高了加密解密速度，降低對系統硬件要求，設計出一套低成本、高安全性的系統。

關鍵詞：PEPS；滾動碼；AES

PEPS系統是一種無鑰匙就能進入和啟動汽車的安全系統，越來越受到用戶的青睞。主要的大半導體芯片供應商如MICROCHIP，TI，Atmel，Freescale，NXP等都針對該系統提出了自己的設計方案。國外在該項技術上有相對領先的研發方案和技術產品，由于技術保密和研發成本問題，國內汽車業對該系統的研發還不夠完善，所以PEPS系統的自主研發和設計亟需解決。此系統對硬件和安全性要求非常高，成本昂貴，國外主要裝配于高中檔轎車中。國內車廠都在積極研發低成本和安全性較高的PEPS系統[1]。各大半導體芯片提供商基本都提供了完整的PEPS解決方案，安全加密算法各異，各有優缺點。MICROCHIP公司提出KEELOQ加密技術，具有其知識產權，使用成本比較高；Atmel公司的PEPS系統采用標準AES加密算法，雖然此算法是免費使用，但是對系統的硬件要求非常高；Freescale采用VKSP加密算法，具有自己的知識產權，需要收取高昂的費用；早期普遍應用DES算法，此算法安全性較差，對硬件要求比較高，被AES算法取代[2]。主流PEPS系統采用AES或修改的AES算法，各自都對其算法有知識產權，受制于人。本文提出了一種修改的AES加密算法，安全性高，對硬件要求比較低，運行速度達到實際應用要求。

1系統結構與工作原理

1.1系統結構

系統是由應答器和基站兩個部分組成。應答器部分主要有RF發射器、按鍵、MCU(PIC16F886)及三軸向AFE組成。車站基站主要包括LF發射器、RF接收器、MCU(PIC18F2680)及門鎖驅動等部分，其結構如圖1所示。

1.2工作原理

當車載基站檢測到觸發輸入(開啟LF信號發射器)，LF發射器將發送一條125 kHz的數據報文。此LF信號發射的有效距離是1 m左右，應答器在此范圍內接收該條報文后，對報文數據進行驗證。若驗證正確，應答器立即發送一條頻率為433.92 MHz的UHF加密數據報文。車載基站接收到UHF報文數據，初步判斷報文的有效性。若有效，解密滾動碼，再次檢驗解密的數據，驗證通過后，將進行相應開啟車門等操作。

圖1系統的總體工作示意圖

2加密算法原理與實現

2.1編碼結構

本系統采用報文的格式是由固定碼和跳碼組成。20位的同步計數值、8位識別碼和4位功能碼組成32位數據，通過修改的AES算法加密，獲得32位的跳碼。28位序號、4位功能碼和2位CRC校驗碼組成固定碼。具體的組成情況如圖2所示。

圖2UHF報文格式

2.2滾碼實現的軟件流程

加密算法采用修改的16位AES加密算法，將32位加密數據分成兩組16位數據。將同步計數值的低16位，將其奇數位組成新字節數，如(1111 1010101010101010)b中的“0”位置取出并組成一個字節(0000 0000)b，剩下的數據組成12位數(1111 11111111)b，具體的情況如圖3所示。固定碼部分主要是28位序號，從而增加了整個報文的長度，為了延長整個UHF報文的發射時間，主要目的是防止破解者采用排列組合的形式來破解密碼。固定碼部分提供功能碼，一方面，可以檢驗接收的UHF數據的有效性，另一方面，可以檢驗功能碼是否有誤。CRC對功能碼進行校驗，確保功能碼的正確性。16位AES加密算法理論基礎將在下文介紹。

滾動碼在發射命令之前必須先從芯片的EEPROM中讀取識別碼和同步計數值，計算獲取CRC-1校驗信息，加密后發射。在發射完成之后，同步計數值自動加一并保存到EEPROM 中。基站接收到完整的UHF數據報文，先判斷28位的序號是否匹配，正確之后，解密報文的滾動碼并獲取同步計數值、識別碼和功能碼；接著判斷同步計數值是否匹配，不匹配就丟棄此報文；否則，固定碼中的功能碼和跳碼中的功能碼是否相同以及校驗CRC校驗，確保功能碼的準確性，判斷正確后，按照功能碼命令執行操作，具體流程圖如圖4所示。從上述分析可以看出，安全性關鍵是加密算法。

圖3UHF內部構成

2.3修改后的AES 加密算法

參考文獻修改后的16位AES加密算法的具體理論[3-7]，使用在伽羅瓦域GF(24)修改的AES加密算法，每次加密數據是16位，密鑰也是16位。具體數據分配如圖3所示。

16位加密數據的具體處理過程如圖5所示，表示16位數分成4份，每份占4位，分別用p0，p1，p2和p3表示，且排成矩陣P。這樣處理可以保證加密后的數據還是16位。

此加密算法，需要經過如下的四個步驟，分別是NibbleSub，ShiftRow，MixColumn，KeyAddition，將簡要介紹這幾個過程。

NibbleSub變化的過程，通過S-box變換矩陣P數據，生成矩陣B。具體的實現通過查S-box表，如表1和圖6所示，表示NibbleSub數據變換實現，通過查表的方式實現。

ShiftRow變化過程，是一種行轉換，第一行不變換，第2行左循環4位，具體的過程如圖7所示，表示矩陣B經過ShiftRow變換生成矩陣C。

MixColumn變化具體過程如圖8所示，表示矩陣C變換生成矩陣D，通過MixColumn變換實現。列混合需要每個輸入塊與列和乘以一個常數矩陣，以獲得一個新的輸出列。

其中

以上是修改的AES加密解密算法的核心，將在下文給出測試情況。

圖7ShiftRow變化

3測試

測試系統，編譯軟件使用MAPLAP X IDE V2.05，初始數據使用0x9c，0x63，初始密鑰是0xc3，0xf0，加密結果如圖9所示。(圖9所示數據0x9c63的加密結果是0x72c6。)

本系統測試數據，具體的明文數據有：同步計數值設為1，功能碼為(1111)b(占4位)，識別碼為(1111 1111)b(占8個位)。(圖10表示同步計數值是1時，修改的AES加密的結果。圖11表示同步計數值是2時，修改的AES加密的結果。)

圖9加密的結果

通過圖10和圖11，可以看出，當識別碼相同、功能碼相同的情況下，同步計數值自動加一之后，密文發生了很大的變化。同步計數值為1時，密文是0x96c5;而同步計數值為2時，密文是0xb6c7，兩次加密的數據前16位和后16位都發生了變化，破解程度提高，基本滿足滾動碼的需求。連續8次發送的開鎖命令的滾動碼信息，如表2。

表2　程序測試結果

運行的速度方面，修改的AES在單片機中運行的速度很快，圖12表示標準的AES算法在PIC單片機上的運行速度，圖13表示修改的AES算法在PIC單片機上的運行速度。

從圖12和圖13可見，在晶振為4MHz單片機中，標準的AES加密速度是3.74 ms，而修改的AES加密速度則只有0.443 ms。修改的AES明顯地提高了運行的速度。

4結束語

本文主要討論了PEPS系統及滾動碼技術，重點修改了AES加密算法及其在PIC16F886軟件實現，進行了測試和比較，系統穩定性較好，信號安全性較高。本系統主要應用于汽車門禁，可以推廣到一般門禁和其他的安全控制領域。

[1] Wikipedia. Advanced Encryption Standard[EB/OL]. http://en.wikiped ia.org/wiki/Advanced_Encryption_Standard .2014.

[2] Microchip Inc. PIC16F886 datasheet[EB/OL]. http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en 022266. 2014.

[3] NIST. 2011. AES Homepage[EB/OL]. Available at http://www.nist.gov/aes.

[4] Microchip Inc. HCS365datasheet[EB/OL]. http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en01076 5 .2013.

[5] Rapael Chung, Wei Phan. Mini Advanced Encryption Standard (Mini-AES): A Tested for Cryptanalysis Students[J].Cryptologia, 2002，26(4).

[6] K.Atasu, M. Macchetti, L. Breveglieri. Efficient AES Implementations for ARM Based Platforms[J].In ACM SCA 2004,Nicosia, Cyprus, Mar.，2004:841-845.

[7] Bizaki, H.K., Mansoon, S.D., Falahati,A.. Linear Cryptanalysis on Second Round Mini-AES[J].Information and Communication Technologies, ICTTA 06.2nd, 2006: 1958-1962.

A Preliminary Study of Hopping Code Technique Applied in PKE System

CHENG He-sheng1, CHENG He-xia2

(1. Dept. of Computers, Hefei Teachers College, Hefei 230000, China;2. Dept. of Computers, Anqing Teachers College, Anqing 246133, China)

Abstract:A new type of Passive Entry & Passive Start (PEPS) system is designed based on microcontroller PIC16F886, hopping code and wireless communication technologies are investigated and discussed in this paper. The system can recognize user identity without the keystoke. According to the characteristics and needs of security, this paper presents an improved 16-bit AES encryption algorithm to design a low-cost, fast encryption and decryption, high security system. Improved AES algorithm uses twice to achieve 32-bit rolling code data.

Key words:PEPS， hopping code， AES

文章編號：1007-4260(2015)02-0044-05

中圖分類號：TP309.7

文獻標識碼：A

作者簡介：程和生，男，碩士，合肥師范學院計算機系教師，主要研究通信與信息系統、嵌入式系統。

基金項目：安徽省教育廳自然科學研究項目(KJ2012Z230)。

收稿日期：2014-06-14