飛思卡爾汽車遠程無鑰匙進入系統(tǒng)方案和VKSP安全協(xié)議

針對日益增長的汽車遙控無鑰匙進入系統(tǒng)(RKE)市場，飛思卡爾半導體近期推出了包含硬件和軟件安全協(xié)議(VKSP)的整體解決方案。
    RKE由發(fā)射端(遙控鑰匙)和集成于車身控制模塊中的接收端組成。發(fā)射端將用戶按鍵命令通過數(shù)據(jù)編碼、加密和組幀后通過射頻發(fā)射電路發(fā)射，而車內(nèi)接收端則將接收到的信號通過射頻解調(diào)、數(shù)據(jù)解碼和幀解密后完成棚應車門、車燈控制和報警等用戶指令。系統(tǒng)框圖如圖1。

    發(fā)射端：使用Freescale低端8位MC9S08QG4／8(4K／8K Flash)微控制器完成用戶按鍵的數(shù)據(jù)編碼、加密組幀，再通過SAW聲表諧振器電路發(fā)射至UHF頻段。
    接收端：使用UHF射頻接收芯片MC33596完成信號解調(diào)和數(shù)據(jù)曼徹斯特解碼，再將數(shù)據(jù)傳送到車身主控芯片(本沒計選用了8位MC9S08DZ系列)進行數(shù)據(jù)解密和指令執(zhí)行。
    加密協(xié)議：采用Freescale研發(fā)的町變密鑰安全協(xié)議(VKSP)。
    可變密鑰安全協(xié)議(VKSP)是飛思卡爾專門為遙控類應用市場開發(fā)的安全傳輸協(xié)議。其特點為：
    ◆采用128位密鑰加密驗證，增強了安全性。
    ◆密鑰中的32位可變密鑰(計數(shù)器)部分隨時問和按鍵而增加。
    ◆即使在遙控距離外被許多次按鍵操作之后，該鑰匙也可以繼續(xù)正常使用，不需要和接收端重新進行該鑰匙的學習流程。
    ◆最大支持254個不同指令傳輸。
    ◆除了采用飛思卡爾提供的AES加密算法模塊外，用戶也可以根據(jù)需要(如縮小程序大小，減少解密時間)使用自己的加密算法模塊。
    ◆純軟件實現(xiàn)，可以靈活地應用于各類微控制器。
    ◆軟件大?。翰话珹ES加密模塊約為1．5 KB，如果含AES模塊則接近3 KB。軟件以庫函數(shù)的形式免費授權給采用飛思卡爾方案的客戶使用。
    VKSP的發(fā)送過程如圖2。

    每次按下鑰匙，將會產(chǎn)生一個發(fā)送幀。發(fā)送幀有兩個部分：數(shù)據(jù)部分和消息驗證碼(MAC)部分。數(shù)據(jù)部分不用加密，由3個部分共64位組成：鑰匙號。3字節(jié)；用戶命令，1字節(jié)；可變密鑰，4字節(jié)。每次發(fā)送隨時間和用戶按鍵而增加，以確保即使用戶命令相同，每次發(fā)送的消息幀內(nèi)容也不會重復。消息驗證碼(MAC)部分有8個字節(jié)，由加密模塊產(chǎn)生。
    接收過程分為3步，如圖3。

    ①接收端檢查接收到的發(fā)送幀中的鑰匙號足否存在于接收端存儲的有效鑰匙號數(shù)據(jù)庫中。如果存在，則從接收端數(shù)據(jù)庫中同時取出該鑰匙對應的本地密鑰(localkey)和可變密鑰(variable key)，進入下一步驟，否則丟棄該幀。
    ②檢查發(fā)送幀中的可變密鑰是否大于①中接收端數(shù)據(jù)庫巾該鑰匙目前的可變密鑰。如是，進入下一步驟，否則丟棄該幀。這一步驟保證了任何再次重復發(fā)送的幀不會被認為有效幀。
    ③進行消息碼驗證。由接收幀中的數(shù)據(jù)字段和從接收數(shù)據(jù)庫中取出的該鑰匙本地密鑰通過加密模塊生成消息驗證碼。由于發(fā)送端和接收端使用相同的加密模塊，所以，如果發(fā)送端和接收端生成的兩個消息驗證碼相同，則該幀被認為有效，用戶命令被執(zhí)行；同時，更新該鑰匙當前的可變密鑰至接收端數(shù)據(jù)庫中。
    由上述過程可知，每一把新鑰匙必須首先完成學習過程，即將該鑰匙的鑰匙號和本地密鑰存儲到接收端數(shù)據(jù)庫以后，該鑰匙才能被識別使用。為了系統(tǒng)安全性，接收系統(tǒng)必須在指定的安全環(huán)境被激活的狀態(tài)下才進行學習幀的識別，例如用戶在接收端按下一個特定的按鍵或者開關。圖4表示了學習過程和學習幀的結(jié)構。

    ◆接收端首先檢查是否處于安全環(huán)境激活狀態(tài)，從而決定是否進行學習幀識別。
    ◆發(fā)送端利用一個偽隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生128位隨機數(shù)，然后和廠商提供的128位OEM碼(發(fā)送端和接收端必須共享同樣的OEM碼)通過加密模塊產(chǎn)生128位輸出數(shù)據(jù)，截取其中64位作為消息驗證碼，截取特定位數(shù)存儲在發(fā)送端作為該鑰匙本地密鑰。同時，將該128位隨機數(shù)和消息驗證碼通過兩個連續(xù)的學習幀發(fā)送。兩個學習幀分別由數(shù)值OXFE和OXFF特征碼來識別。
    ◆接收端通過特征碼檢測到學習幀并提取其中的128位隨機數(shù)，然后依靠和發(fā)送端同樣的廠商128位OEM碼和加密模塊完成消息驗證碼比對驗證，再按照和發(fā)送端同樣的輸出截取方式生成和發(fā)送端相同的該鑰匙本地密鑰，最后將該本地密鑰和鑰匙號存儲在接收端數(shù)據(jù)庫中，從而完成該鑰匙的學習過程。
    綜上所述，飛思卡爾半導體的RKE整體方案主要特點及其優(yōu)勢如下：
    ◆系統(tǒng)選用通用MCU控制器，客戶可以根據(jù)需要添加應用功能，增強了靈活性。
    ◆接收端不需要單獨的解密芯片，解密算法集成在車身控制器中實現(xiàn)，簡化了方案，降低了成本。
    ◆鑰匙端系統(tǒng)當沒有用戶按鍵時候，處于休眠狀態(tài)，節(jié)省系統(tǒng)功耗。
    ◆UHF接收芯片MC33596(或者艤向收發(fā)芯片MC33696)支持304 MHz～915 MHz的OOK和FSK解調(diào)；片內(nèi)支持數(shù)據(jù)曼徹斯特解碼，節(jié)省了外部微控制器解碼軟件系統(tǒng)占用的空間；具有片內(nèi)定時喚醒、片腳喚醒并可設置特定幀喚醒外部MCU功能，節(jié)省系統(tǒng)功耗；同時支持兩套系統(tǒng)參數(shù)配置。上述特性也使得該芯片可以應用于被動尤鑰匙門禁系統(tǒng)(PKE)和胎壓檢測(TPMS)系統(tǒng)中。
    ◆VKSP數(shù)據(jù)協(xié)議：純軟件實現(xiàn)，采用1 28位AES加密，增加了安全性；本地密鑰在鑰匙每次的學習過程中通過偽隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，所以對每把鑰匙的每次學習過程將產(chǎn)乍和存儲不同的鑰匙密鑰，增強了保密性。
    該方案評估系統(tǒng)實物如圖5和圖6。