基于KEELOQ的改進加密算法及其在單片機中的實現(xiàn)

當今的編解碼電路已經(jīng)朝著高度集成化和微電腦化發(fā)展。像普通的固定編解碼芯片如MCl45026/145027、PT2262/2272等已被廣泛應用于公用系統(tǒng)中,給生活帶來了方便。然而這些芯片不能保證系統(tǒng)的安全性。由于這些系統(tǒng)每次發(fā)送的數(shù)據(jù)流一模一樣,只是高低電平的組合,第三方通過捕捉設備,一旦用戶信號出現(xiàn),便可瞬間取得合法的身份識別碼;或使用編碼掃描設備,主動攻擊解碼芯片。因此保證系統(tǒng)的安全性是一個很現(xiàn)實的問題[1]。在此背景下,基于加密算法的編解碼IC的安全機制得到了應用。Microchip公司的KEELOQ技術是這種技術的代表^[2,3,4]。KEELOQ技術是一種多變化、抗截獲、安全可靠性高的非線性跳碼加密解密技術。KEELOQ目前是通過硬件芯片IC(以Mirochip公司的HCS300為代表)實現(xiàn),主要應用于汽車防盜系統(tǒng)和門禁系統(tǒng),是無鑰進入系統(tǒng)領域的首選芯片。但也由于硬件芯片本身的限制(其所能加密的數(shù)據(jù)必須預先寫入EEPROM中),使之很難用于其它(如數(shù)據(jù)加密)領域。
　　本文把這項封裝在芯片里的KEELOQ加密技術用軟件方式實現(xiàn),并針對單片機的特性進行了適當改進。這種在單片機中實現(xiàn)的改進算法不僅包含了原來HCS300所具備的所有功能,而且在系統(tǒng)安全性、靈活性、可擴展性、傳輸效率等方面均有較大改善,同時對改進算法在數(shù)據(jù)加密領域作了全新的嘗試,以其特殊的密鑰管理方法獨立于對稱型加密(如DES)與不對稱型加密算法(即公開密鑰體制,如RSA) ^[1],成為一種適用于無線傳輸領域小型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密算法。
1 KEELOQ技術簡介及其硬件實現(xiàn)
　　KEELOQ技術的核心思想[2,3,4]是用64bit的EN_KEY[64:0](加密密鑰)去加密32bit的CSR[31:0](校驗碼)得到32bit的CRYP密文。加密機制為:首先定義一個非線性表,這個非線性表有5位輸入NLF_IN[4:0],一位輸出NLF_OUT。它在CSR[31:0]中間隔均勻地取固定5位:I0、I1、I2、I3、I4,通過非線性產生一個輸出碼NLF_OUT;這一位輸出碼NLF_OUT再與EN_KEY中的15位、CSR中的2位進行異或運算后輸出第一位輸出碼CRYP[0];每輸出一位后,EN_KEY、CSR分別進行移位,EN_KEY作循環(huán)移位,CRYP[0]作為CSR移位的輸入;重復上述步驟直到輸出32位CRYP[0:31]。依此法,即使32bit的校驗碼CSR中只有一位發(fā)生變化,用KEELOQ加密算法得到的CRYP密文也會有50%以上的數(shù)據(jù)位(16bit)發(fā)生變化。
　　Microchip公司以KEELOQ技術為基礎開發(fā)了滾動碼系列專用芯片,HCS300是其中較典型的一款。它是一塊8引腳的編碼IC芯片,里面集成了KEELOQ算法和其他一些功能,帶有四個按鍵接口,實現(xiàn)15位的功能/命令碼。內置192bits(12×16bit words) EEPROM,用來存放EN_KEY(加密密鑰)、SN(序列號)、SYNC(同步碼)、SEED(種子碼)等。序列號用來標識不同的對象;加密密鑰用來對發(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)器用來抗截獲,每次發(fā)送數(shù)據(jù)時,同步計數(shù)器的值都被更新,所以每次發(fā)送的數(shù)據(jù)都不一樣。種子碼用于安全學習時參與加密密鑰的生成。接收方必須先通過學習來獲得并存儲發(fā)送方的序列號、加解密密鑰和當前同步計數(shù)器的值。學習相當于身份確認,只有經(jīng)過學習的用戶才能與主機通信。主機在接收到信號后,首先比對序列號,然后利用學習過程中得到并存儲的加密密鑰對接收的數(shù)據(jù)進行解密;接著檢查同步計數(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,并根據(jù)接收到的按鍵信令作出相應的動作反應。HCS300系統(tǒng)使每次發(fā)送的密文都不相同,有效防止了空中截獲法和數(shù)據(jù)重傳帶來的安全隱患。
　　HCS300系統(tǒng)的加密密鑰在學習過程中經(jīng)密鑰生成算法產生。學習分為一般學習和安全學習。一般模式下,解密密鑰由MKEY和SN生成加解密密鑰EN_KEY,其解密密鑰隱含于發(fā)送信息(MKEY和SN)中。安全模式下,增加了種子碼SEED(當四鍵一起按時發(fā)送),它與MKEY和SN一起生成加解密密鑰EN_KEY,而SEED_KEY在平時并不發(fā)送,這樣增加了安全性。不過,在學習時SEED碼的發(fā)送是不經(jīng)過加密的。
2 KEELOQ技術的不足與改進加密算法的提出
　　盡管KEELOQ技術有上述獨特的優(yōu)點,但是經(jīng)過深入分析不難發(fā)現(xiàn)KEELOQ算法及其硬件實現(xiàn)技術也存在一些不足:
　　(1)安全性基于出廠密鑰和種子碼SEED。在HCS300芯片中,加密密鑰EN_KEY是由出廠密鑰MKEY、序列號SN和種子碼SEED(安全模式)生成的。而SN和SEED在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中未經(jīng)加密,是可截獲的。理論上出廠密鑰一經(jīng)確定一般不會更改。所以,一旦出廠密鑰外泄,后果極其嚴重。
　　(2)擴展功能弱、升級不方便。其算法由硬件芯片實現(xiàn)。其所能實現(xiàn)的功能由按鍵決定。其按鍵只有4個,最多也只有15種組合。發(fā)送方無法附加其余的信息(對于大多領域來說,它要求能發(fā)送一些附加信息,如用戶的姓名、年齡、出生日期等),功能擴展幾乎不可能。另外,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)技術基本不可能。
　　(3)對功能碼的檢錯和糾錯的功能較弱。在無線傳輸中,出現(xiàn)誤碼的概率比較大。功能碼代表所要實現(xiàn)的功能,如開門、報警、開閥等。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)是0010,而接收的數(shù)據(jù)為0100,其后果非常嚴重^[4]。
　　(4)傳輸效率較低。在發(fā)送的數(shù)據(jù)中,其有用信息(如序列號、功能碼)全部在固定碼中,加密碼只作為一種加密用的附加數(shù)據(jù),這樣不但降低了安全性,而且傳輸效率不高。以HCS300為例,發(fā)送的66位數(shù)據(jù)中只有32位為有用信息,傳輸效率比較低。
　　(5)無法用于數(shù)據(jù)加密。由于其是由硬件芯片實現(xiàn)的,它所能加密的數(shù)據(jù)只限于序列號、同步碼等預先存在HCS300的EEPROM中的數(shù)據(jù)。它沒有數(shù)據(jù)入口,無法對數(shù)據(jù)流進行加密。
　　(6)受硬件設計限制,靈活性差,成本較高,由于不擁有核心技術,容易受制于人^[4]。
　　基于上述分析,筆者結合單片機的特性,對KEELOQ算法提出如下改進:
　　(1)保留出廠密鑰,但引入隨機數(shù),防止出廠密鑰和種子碼的泄漏,用戶可隨時改變加密密鑰。
　　(2)改進數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?把同步碼映射到各組待加密的數(shù)據(jù)中,提高傳輸效率。
　　(3)增加對功能碼或關鍵數(shù)據(jù)的檢錯和糾錯的功能。
　　(4)增加數(shù)據(jù)入口,改變對加密數(shù)據(jù)的長度要求,使其適合批量的數(shù)據(jù)加密。
　　數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)的兩個基本要素是加密算法和密鑰管理。密鑰是控制加密算法和解密算法的關鍵信息,其產生、傳輸、存儲等工作十分重要。目前數(shù)據(jù)加密技術可以分為二類,即對稱型加密、不對稱型加密^[5]。對稱型加密(如DES算法)使用單個密鑰對數(shù)據(jù)進行加密或解密。不對稱型加密算法也稱公用密鑰算法(如RSA算法),其特點是有二個密鑰(即公用密鑰和私有密鑰),只有二者搭配使用才能完成加密和解密的全過程。但兩者都在密鑰的管理和分發(fā)上遇到一些困難。KEELOQ密鑰管理機制的主要特點是對每個用戶都有自己獨特的加解密密鑰,在學習過程中發(fā)送到主機并保存。但密鑰信息隱含在每次發(fā)送的信息(SN和MKEY)中(即使在安全模式下,種子碼SEED也是固定碼,可截獲),并且依賴于生產廠家和出廠密鑰,不可更改。本改進算法主要針對無線傳輸領域的小型系統(tǒng),可以在學習過程中引入隨機參數(shù)RANDOM,與MKEY、SN一起生成EN_KEY。這個隨機數(shù)RANDOM在同一次學習時相同,但每次學習時都會改變。這樣,加密密鑰就不依賴于生產廠家和出廠密鑰并且在用戶感到密鑰有可能泄漏時可隨時改變數(shù)據(jù),增加了安全性。
3 改進加密算法在單片機中的實現(xiàn)
　　整個系統(tǒng)分為用戶端(CLIENT)和主機端(SERVER),系統(tǒng)框圖如圖1所示。在本系統(tǒng)中,考慮功耗、外圍功能等需要,選用飛利浦的LPC76X系列芯片[^[6]。P87LPC764 是20 腳封裝的單片機,可以在寬范圍的性能要求下實現(xiàn)高集成度低成本的解決方案,4Kbits的ROM,128bits的RAM,32Byte用戶代碼區(qū)可用來存放序列碼及設置參數(shù),內帶看門狗定時器,處理器的指令執(zhí)行速度為標準80C51 MCU的兩倍。EEPROM發(fā)送部分選用AT2401(128×8 bits),接收部分選用AT2404(1024×8 bits),8-DIP封裝,I2C總線接口,擦寫次數(shù)>1百萬次,保存時間>100年。

圖1 系統(tǒng)結構

　　用戶必須經(jīng)過學習后才能與主機通信。在學習過程中,用戶把序列號SN、出廠密鑰MKEY、加密密鑰EN_KEY送給主機,主機對每一個用戶要開辟一片EEPROM來存儲用戶信息。其具體分布如表1所示。

　　在主機SERVER端,每個用戶CLIENT都需要有16bits的存儲空間。所以本系統(tǒng)共可接收511個用戶的信息。整個系統(tǒng)的設計充分考慮系統(tǒng)的升級和功能的擴展。其中出廠密鑰、序列號、加密密鑰、隨機數(shù)均可按需要進行擴展或縮減。如果從安全角度考慮,可把序列號存放在微處理器的ROM中。

　　本文提出的基于KEELOQ技術的改進加密算法及其在單片機中的實現(xiàn)技術,可以節(jié)約硬件成本,減少對硬件的依賴,改善系統(tǒng)性能,擴展了在數(shù)據(jù)加密領域的應用,特別適合應用于無線傳輸領域的小型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密。隨著射頻技術、無線技術和藍牙技術的發(fā)展,射頻卡身份證的實施,其應用領域可以擴展到身份識別、安全管理、防盜報警、考勤、收費、無線抄表、智能監(jiān)控、隨機檢測器、標識信息等諸多領域。