飛思卡爾汽車(chē)遠程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(RKE)方案和VKSP安全協(xié)議

　　針對日益增長(cháng)的汽車(chē)遙控無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(RKE)市場(chǎng)，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。

　　汽車(chē)遙控無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(RKE)由發(fā)射端(遙控鑰匙)和集成于車(chē)身控制模塊中的接收端組成。發(fā)射端將用戶(hù)按鍵命令通過(guò)數據編碼、加密和組幀后通過(guò)射頻發(fā)射電路發(fā)射，而車(chē)內接收端則將接收到的信號通過(guò)射頻解調、數據解碼和幀解密后完成相應車(chē)門(mén)、車(chē)燈控制和報警等用戶(hù)指令，系統框圖如圖1。

圖1 飛思卡爾RKE系統簡(jiǎn)化框圖

　　發(fā)射端：使用Freescale低端8位MC9S08QG4/8(4k/8K flash)微控制器完成用戶(hù)按鍵的數據編碼、加密組幀，再通過(guò)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完成信號解調和數據曼徹斯特解碼，再將數據傳送到車(chē)身主控芯片(本參考設計選用了8位MC9S08DZ系列)進(jìn)行數據解密和指令執行。

　　加密協(xié)議：采用Freescale研發(fā)的可變密鑰安全協(xié)議(VKSP)。

　　可變密鑰安全協(xié)議(VKSP)是飛思卡爾專(zhuān)門(mén)為遙控類(lèi)應用市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的安全傳輸協(xié)議。VKSP的發(fā)送過(guò)程如圖2，其特點(diǎn)包括：

　　* 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(計數器)部分隨時(shí)間和按鍵而增加;

　　* 即使在遙控距離外被許多次按鍵操作之后，該鑰匙也可以繼續正常使用，不需要和接收端重新進(jìn)行該鑰匙的學(xué)習流程;

　　* 最大支持254個(gè)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(hù)也可以根據需要(如縮小程序大小，減少解密時(shí)間)使用自己的加密算法模塊;

　　* 純軟件實(shí)現，可以靈活的使用于各類(lèi)微控制器;

　　* 軟件大?。翰话珹ES加密模塊約為1.5k字節，如果含AES模塊接近3k字節，軟件以庫函數的形式免費授權給采用飛思卡爾方案的客戶(hù)使用。

圖2 VKSP發(fā)送幀產(chǎn)生

　　每次按下鑰匙，將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送幀。發(fā)送幀有兩個(gè)部分：數據部分和消息驗證碼(MAC)部分。數據部分不用加密，由三個(gè)部分共64位組成：鑰匙號：3個(gè)字節。用戶(hù)命令：1個(gè)字節?？勺兠荑€：4個(gè)字節，每次發(fā)送隨時(shí)間和用戶(hù)按鍵而增加，以確保即使用戶(hù)命令相同，每次發(fā)送的消息幀內容也不會(huì )重復。消息驗證碼(MAC)部分則有8個(gè)字節，由加密模塊產(chǎn)生。接收過(guò)程分為三步，如圖3。

圖3 VKSP接收幀的驗證

　　* 步驟一：接收端檢查接收到的發(fā)送幀中的鑰匙號是否存在于接收端存儲的有效鑰匙號數據庫中，如果存在，則從接收端數據庫中同時(shí)取出該鑰匙對應的本地密鑰(Local Key)和可變密鑰 (Variable Key)，進(jìn)入下一步驟， 否則丟棄該幀。

　　* 步驟二：檢查發(fā)送幀中的可變密鑰是否大于步驟一中接收端數據庫中該鑰匙目前的可變密鑰，如是，進(jìn)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(huì )被認為有效幀。

　　* 步驟三：進(jìn)行消息碼驗證。由接收幀中的數據字段和從接收數據庫中取出的該鑰匙本地密鑰通過(guò)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(gè)消息驗證碼相同，則該幀被認為有效，用戶(hù)命令被執行。同時(shí)，更新該鑰匙當前的可變密鑰至接收端數據庫中。

　　由上述過(guò)程可知，每一把新鑰匙必須首先完成學(xué)習過(guò)程，即將該鑰匙的鑰匙號和本地密鑰存儲到接收端數據庫以后，該鑰匙才能被識別使用。為了系統安全性，接收系統必須在指定的安全環(huán)境被激活的狀態(tài)下才進(jìn)行學(xué)習幀的識別，例如用戶(hù)在接收端按下一個(gè)特定的按鍵或者開(kāi)關(guān)，圖4表示了學(xué)習過(guò)程和學(xué)習幀的結構。

圖4 VKSP學(xué)習過(guò)程和學(xué)習幀

　　* 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(jìn)行學(xué)習幀識別。

　　* 發(fā)送端利用一個(gè)偽隨機數發(fā)生器產(chǎn)生128位隨機數，然后和廠(chǎng)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(guò)加密模塊產(chǎn)生128位輸出數據，截取其中64位作為消息驗證碼，截取特定位數存儲在發(fā)送端作為該鑰匙本地密鑰。同時(shí)，將該128位隨機數和消息驗證碼通過(guò)兩個(gè)連續的學(xué)習幀發(fā)送。兩個(gè)學(xué)習幀分別由數值0XFE和0XFF特征碼來(lái)識別。

　　* 接收端通過(guò)特征碼檢測到學(xué)習幀并提取其中的128位隨機數，然后依靠和發(fā)送端同樣的廠(chǎng)商128位OEM碼和加密模塊完成消息驗證碼比對驗證，又按照和發(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據庫中，從而完成該鑰匙的學(xué)習過(guò)程。

　　綜上所述，飛思卡爾半導體的RKE整體方案主要特點(diǎn)及其優(yōu)勢如下所述。

　　* 系統選用通用MCU控制器，客戶(hù)可以根據需要添加應用功能，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(chē)身控制器中實(shí)現，簡(jiǎn)化了方案，節約了成本。

　　* 鑰匙端系統當沒(méi)有用戶(hù)按鍵時(shí)候，處于休眠狀態(tài)，節省系統功耗。

　　* UHF接收芯片MC33596(或者雙向收發(fā)芯片MC33696)支持304MHz到915Mhz的OOK和FSK解調;片內支持數據曼徹斯特解碼，節省了外部微控制器解碼軟件系統占用;具有片內定時(shí)喚醒、片腳喚醒并可設置特定幀喚醒外部MCU功能，節省系統功耗;同時(shí)支持兩套系統參數配置。上述特性也使得該芯片還可以應用于被動(dòng)無(wú)鑰匙門(mén)禁系統(PKE)和胎壓檢測(TPMS)系統中。

　　* VKSP數據協(xié)議：純軟件實(shí)現，采用128位AES加密，增加了安全性;本地密鑰在鑰匙每次的學(xué)習過(guò)程中通過(guò)偽隨機數發(fā)生器產(chǎn)生，所以對每把鑰匙的每次學(xué)習過(guò)程將產(chǎn)生和存儲不同的鑰匙密鑰，增強了保密性。

　　該方案評估系統實(shí)物如圖5和圖6。

圖5 RKE評估系統鑰匙端照片

圖6 RKE評估系統接收端照片

　　*注明：本文中所提芯片均已量產(chǎn)，數據資料可至飛思卡爾官方網(wǎng)站檢索，VKSP協(xié)議詳情也可參考：www.freescale.com/vksp 。