基于KEELOQ跳碼技術(shù)的密碼發(fā)生器設(shè)計(jì)

引 言
    基于密碼的訪問(wèn)控制系統(tǒng)應(yīng)用在當(dāng)今是非常普遍的，但人們對(duì)其提供的安全等級(jí)經(jīng)常估計(jì)過(guò)高。通信傳輸速度和系統(tǒng)計(jì)算能力的提高使得系統(tǒng)受到惡意攻擊或“密碼掃描”的風(fēng)險(xiǎn)增加。在使用不安全的傳送方式時(shí)，可能發(fā)生密碼被盜取的現(xiàn)象。例如典型的通過(guò)電話線的調(diào)制解調(diào)器連接，這種使用固定密碼的方法很不理想。
    跳碼技術(shù)是通過(guò)一個(gè)序列使訪問(wèn)密碼在每次使用時(shí)改變。這樣，即使知道大量先前使用的密碼，也不能對(duì)新的密碼進(jìn)行預(yù)測(cè)。產(chǎn)生這樣一個(gè)序列需要使用可靠的加密引擎。Microchip公司提供多種基于KEEL0Q跳碼技術(shù)的編碼器，這些編碼器使得產(chǎn)生跳碼遠(yuǎn)程控制更為方便。
    本文采用Microchip公司的單片機(jī)PICl2C508和HSC300編碼器設(shè)計(jì)了一個(gè)密碼發(fā)生器，安裝于鍵盤(pán)和PC之間。一個(gè)5引腳插頭連接到PC，并向器件供電，而鍵盤(pán)插頭則插入5引腳插座。PC和鍵盤(pán)之間由時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線連接，允許鍵盤(pán)進(jìn)行正常的操作。當(dāng)傳送信息至互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，這個(gè)密碼發(fā)生器為通用訪問(wèn)控制安全登錄創(chuàng)建一個(gè)“超級(jí)密碼”。

1 密碼發(fā)生器構(gòu)成與工作原理
1．1 鍵盤(pán)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送
    目前使用的標(biāo)準(zhǔn)5孔屏蔽式連接器如圖1所示。其中包括時(shí)鐘線、數(shù)據(jù)線、地線和+5 V電源線，可以實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)和PC之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

    通常，從鍵盤(pán)至PC的數(shù)據(jù)發(fā)送是通過(guò)按鍵或鍵釋放完成的。然而，某些配置數(shù)據(jù)(即重復(fù)、延遲和速率)可能反向傳遞。例如，在系統(tǒng)引導(dǎo)過(guò)程中，鍵盤(pán)使用集電極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)器對(duì)時(shí)鐘線進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。PC可通過(guò)保持時(shí)鐘線為低電平來(lái)禁止鍵盤(pán)。如果PC將數(shù)據(jù)線保持為低電平而此時(shí)時(shí)鐘線為高電平，那么計(jì)算機(jī)發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)，鍵盤(pán)進(jìn)入接收模式。只有當(dāng)時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線同時(shí)處于高電平時(shí)，鍵盤(pán)才被允許發(fā)送數(shù)據(jù)。
1．2 密碼發(fā)生器硬件構(gòu)成
    密碼發(fā)生器硬件原理圖如圖2所示。

    當(dāng)SO被激活時(shí)，PICl2C508接收HCS300編碼器產(chǎn)生的新信息。PICl2c508隨后將模仿鍵盤(pán)發(fā)送出正確序列的按鍵和釋鍵信息至PC。為防止鍵盤(pán)將此發(fā)送解讀為來(lái)自PC的“請(qǐng)求發(fā)送”，在發(fā)送期間將鍵盤(pán)與時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線隔離。為了簡(jiǎn)化電路，采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4路雙向CMOS開(kāi)關(guān)4066來(lái)切換密碼發(fā)生器，或鍵盤(pán)與PC線的連接。
    HCS300編碼器設(shè)計(jì)為，可以是密碼發(fā)生器的一部分，也可以像一把鑰匙一樣可移除的，從而允許方便地替換為具有不同加密密鑰或序列號(hào)的不同編碼器。HCS300和PICl2C508都采用8引腳SOIC封裝形式，消耗電流極低，并且都能在內(nèi)部產(chǎn)生用于操作密碼發(fā)生器的時(shí)鐘，功耗盡量低，以使傳輸線不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載。另外，尺寸盡可能小、元件數(shù)盡可能少，從而盡可能采用較小的封裝。理想的情況是將整個(gè)電路安置在2個(gè)連接器之間較小的間隙中。除一對(duì)用于時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線上拉的電阻之外，無(wú)需其他元件即可實(shí)現(xiàn)全功能的跳碼密碼。
1．3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件由3個(gè)代碼段組成：
    ◆用于HCS300編碼器的接收子程序。
    ◆鍵盤(pán)仿真子程序。
    ◆主循環(huán)程序。
    用于HCS300編碼器的接收子程序(RECEIVE子程序)收集H(2S300發(fā)送的最初64個(gè)數(shù)據(jù)位，并將其填充至一個(gè)8字節(jié)的緩沖器。其中最后兩個(gè)數(shù)據(jù)位將被忽略，因?yàn)樗鼈儾痪哂袑?duì)本應(yīng)用有用的信息。
    鍵盤(pán)仿真子程序根據(jù)IBM—PC／AT鍵盤(pán)協(xié)議實(shí)現(xiàn)鍵掃描碼的發(fā)送。
    當(dāng)CMOS開(kāi)關(guān)將PC連接至鍵盤(pán)時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線時(shí)，主循環(huán)程序?qū)?duì)LED輸出線進(jìn)行連續(xù)采樣，以檢測(cè)HCS300是否被激活。
    當(dāng)LED線變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，CMOS開(kāi)關(guān)被激活以使時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線與鍵盤(pán)隔離，RECEIVE子程序?qū)⒈徽{(diào)用。軟件采用最簡(jiǎn)化的形式開(kāi)發(fā)，可對(duì)其采取一些優(yōu)化措施。例如：可使PIC12C508進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，以進(jìn)一步減小功耗。編碼器可能被移除，因此應(yīng)對(duì)編碼器的接入／激活進(jìn)行正確檢測(cè)。由于沒(méi)有解密過(guò)程，因此沒(méi)有其他方法可獲知發(fā)送操作是否已失敗，只能將第二個(gè)密碼字與接收到的第一個(gè)密碼字進(jìn)行對(duì)比，以確認(rèn)是否出現(xiàn)發(fā)送錯(cuò)誤。

2 加密原理
    編碼器HCS300使用KEELOQ跳碼技術(shù)，使編碼器每次發(fā)送的數(shù)據(jù)都是獨(dú)一無(wú)二的。編碼器發(fā)送包括兩部分：第一部分稱為“跳碼部分”，在編碼器每次被激活時(shí)發(fā)生改變且被加密；第二部分是發(fā)送數(shù)據(jù)的非加密部分，主要包括編碼器序列號(hào)，解碼器通過(guò)該序列號(hào)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。密碼字的組成如下：

    跳碼包括功能信息、識(shí)別值和一個(gè)同步計(jì)數(shù)器。在發(fā)送這一信息之前需通過(guò)加密算法對(duì)其進(jìn)行加密。加密算法使用64位加密密鑰。如果加密數(shù)據(jù)中的一位發(fā)生改變，則將導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)中平均有一半的位發(fā)生改變。這樣，每次發(fā)送時(shí)跳碼將徹底改變，因而無(wú)法對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。解碼器使用同步信息來(lái)確定發(fā)送是有效的還是前一次發(fā)送的重復(fù)，前一次密碼將被拒絕以防止密碼被盜取。HSC300編碼器發(fā)送2個(gè)溢出位，用來(lái)將同步計(jì)數(shù)器值的范圍從65 536擴(kuò)展到196 608次按鈕操作。HCS300編碼器發(fā)送數(shù)據(jù)的固定碼部分包括4位功能信息和2個(gè)狀態(tài)位。這2個(gè)狀態(tài)位表明是否進(jìn)行了重復(fù)發(fā)送，以及電池電壓是否過(guò)低。HCS300編碼器具有發(fā)送固定種子的能力，種子值連同計(jì)數(shù)器值、密鑰、序列號(hào)和其他信息一起，在編碼器首次初始化時(shí)通過(guò)編程寫(xiě)入編碼器。HCS30C具有32位的種子。
    接收應(yīng)用程序(服務(wù)器上運(yùn)行的軟件)執(zhí)行一些簡(jiǎn)單的解碼和校驗(yàn)步驟，跳碼密碼可用來(lái)對(duì)大量電子服務(wù)的訪問(wèn)進(jìn)行驗(yàn)證。密碼中固定的未加密部分可用來(lái)識(shí)別用戶和編碼器中激活的功能。

結(jié) 語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)的密碼發(fā)生器采用基于KEELOQ的跳碼密碼技術(shù)，體積小、功耗低，特別適用于當(dāng)傳送信息至互聯(lián)網(wǎng)時(shí)為通用訪問(wèn)控制安全登錄創(chuàng)建一個(gè)“超級(jí)密碼”。實(shí)踐證明，這種方式的加密方法非?？煽?。