無源汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安全性的考慮事項(xiàng)

　　系統(tǒng)安全性考慮事項(xiàng) – 攻擊及防范對(duì)策

　　目前有一個(gè)普遍的誤解，即誤以為汽車防盜系統(tǒng)的安全性取決于加密算法的強(qiáng)度。雖然加密算法的強(qiáng)度是很重要，但其本身并不能決定整個(gè)系統(tǒng)的抗攻擊能力。防盜系統(tǒng)中的每一個(gè)接口、算法、協(xié)議、邏輯和物理特性，均影響著系統(tǒng)的總體安全性，都應(yīng)該予以研究與增強(qiáng)，以提高系統(tǒng)的抗攻擊性。

　　算法安全性及防范對(duì)策

　　如前所述，加密算法必須擁有唯一及不可預(yù)測(cè)的特性。以AES為例，算法的詳細(xì)工作原理對(duì)公眾是完全公開的，因此，它已經(jīng)過了研究領(lǐng)域的嚴(yán)格評(píng)測(cè)。這是迄今最好的防范對(duì)策。到目前為止，科學(xué)研究已確認(rèn)該算法的強(qiáng)度，而且經(jīng)得起超過10年的時(shí)間考驗(yàn)。然而，在私密算法的情況下，研究領(lǐng)域不可能進(jìn)行科學(xué)分析，這些算法的強(qiáng)度究竟如何是不可知的。事實(shí)上，其中許多算法都無法經(jīng)受得起時(shí)間的考驗(yàn)，而且近年來它們的缺點(diǎn)也暴露了出來。

　　協(xié)議安全性及防范對(duì)策

　　在使用單向驗(yàn)證的系統(tǒng)中，對(duì)協(xié)議層的攻擊一般是采用“掃描式”或“字典式”方法。在“掃描式”攻擊中，攻擊者從汽車端接收到一個(gè)“詢問”(challenge)，再返回一個(gè)隨機(jī)值作為應(yīng)答。如果協(xié)議包含56位應(yīng)答，則比特位安全性為256，即獲得一個(gè)正確的“詢問-應(yīng)答”配對(duì)需要256次嘗試。為了防止這類攻擊，可以考慮采用以下措施：

　　提高應(yīng)答的位長(zhǎng)度 (bit length)，以增加復(fù)雜性

　　讓汽車嵌入的連續(xù)性失敗嘗試之間的時(shí)限指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)

　　在一定次數(shù)的連續(xù)性嘗試失敗之后，讓汽車拒絕嘗試

　　在“字典式”攻擊中，攻擊者通過與收發(fā)器直接通信來收集正確的詢問 (從攻擊者) 應(yīng)答 (從密鑰卡) 配對(duì)。這些“詢問-應(yīng)答”配對(duì)被放在查找表或“字典”中，供以后參考。配備了這種字典后，攻擊者就觸發(fā)汽車發(fā)出詢問，然后在字典中搜索相應(yīng)的正確應(yīng)答。若協(xié)議包含100位應(yīng)答，則需要251次嘗試即獲得一個(gè)正確的詢問-應(yīng)答對(duì)。“生日悖論” (Birthday paradox) 表明在2n/2 個(gè)記錄的“詢問-應(yīng)答”配對(duì)和2n/2 次嘗試之后，獲得正確結(jié)果的概率為0.5。由此可知，這種攻擊的總體復(fù)雜性為2n/2+1 = 251。這種情況下應(yīng)該考慮的防范對(duì)策為：

　　提高詢問的位長(zhǎng)度，以增加復(fù)雜性

　　采用雙向驗(yàn)證協(xié)議

　　物理/邏輯安全性及防范對(duì)策

　　近年來，攻擊手段日趨復(fù)雜先進(jìn)。“邊信道”攻擊，比如簡(jiǎn)單功耗分析 (SPA) 和差分功耗分析 (DPA) 及其它“入侵式”攻擊，已被成功用來提取密鑰卡的密鑰。這些所謂的邊信道攻擊測(cè)量和評(píng)估加密設(shè)備的耗電量，再結(jié)合純文本密碼文本方面的知識(shí)，即可提取出一個(gè)其它的密鑰。這些方法的基本理論相當(dāng)復(fù)雜，超出了本文的范圍。防御上述邊信道攻擊的最強(qiáng)有力措施包括：

　　時(shí)鐘頻率和運(yùn)行隨機(jī)化

　　數(shù)字控制和加密工作交錯(cuò)進(jìn)行

　　“入侵式”攻擊著眼于硅芯片上與加密相關(guān)的電路的物理實(shí)現(xiàn)方案。只要在設(shè)計(jì)流程初期即考慮到防范對(duì)策，最佳防御手段的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)簡(jiǎn)單。下面是可以考慮使用的一些步驟實(shí)例：

　　存儲(chǔ)塊的金屬屏蔽

　　采用非標(biāo)準(zhǔn)綜合庫

　　加密期間搶奪所用關(guān)鍵數(shù)字元素的位置

　　若發(fā)生嘗試入侵情況，限制存儲(chǔ)器訪問和自動(dòng)芯片擦除功能

　　系統(tǒng)性能的考慮事項(xiàng)

　　耗電量

　　系統(tǒng)性能涉及不同的方面。其一是密鑰卡的功耗，這個(gè)參數(shù)直接關(guān)系到可獲得的密鑰卡與車載基站之間的通信距離。汽車制造商和領(lǐng)先供應(yīng)商往往強(qiáng)調(diào)耦合因子的重要性，將之視為一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。然而，它描述的主要是密鑰卡天線和車載基站天線之間的機(jī)械尺寸的關(guān)系。該參數(shù)只對(duì)給定系統(tǒng)配置有效，并取決于天線的電感、Q因子、驅(qū)動(dòng)電流、讀取器靈敏度，以及點(diǎn)火鎖芯材料。有鑒于此，單獨(dú)用該參數(shù)來比較不同系統(tǒng)的性能是不夠的。其實(shí)，除耦合因子之外，同樣重要的還有耗電量，尤其是考慮到密鑰卡在無源無電池的環(huán)境中工作，能量需從磁場(chǎng)采集，并存儲(chǔ)在很小的電容中，因此耗電量十分受限。通過選擇超低功耗的系統(tǒng)組件，與能夠利用均衡軟件進(jìn)行編程的微控制器 (盡可能讓微控制器進(jìn)入睡眠模式)，工程師就能夠克服前面提到的需要高耦合因子來補(bǔ)償密鑰卡的大電流這一系統(tǒng)缺陷。

　　驗(yàn)證響應(yīng)時(shí)間

　　防盜系統(tǒng)中的另一個(gè)重要因子是從轉(zhuǎn)動(dòng)插入門鎖的密鑰卡到引擎啟動(dòng)所需的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間應(yīng)該足夠短到讓駕駛員感覺不到延時(shí)。根據(jù)系統(tǒng)的機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)，以及一個(gè)人插入和轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙的速度情況，該時(shí)間預(yù)算一般應(yīng)該在300ms 到 500ms之間。這個(gè)預(yù)算中相當(dāng)大一部分被消耗在機(jī)械和車身控制模塊的開銷上;而剩下的100ms到 200ms則用于驗(yàn)證過程。在速度和安全性方面，一個(gè)不錯(cuò)的折衷方法是采用詢問位長(zhǎng)度為100位，應(yīng)答長(zhǎng)度為56位的雙向驗(yàn)證。在大多數(shù)系統(tǒng)中，這會(huì)把應(yīng)答時(shí)間降至100ms以下。

　　錯(cuò)誤處理

　　為防止驗(yàn)證因任何原因失敗，現(xiàn)在的系統(tǒng)需要完整的驗(yàn)證周期才能重新從頭啟動(dòng)，且在一定時(shí)間內(nèi)最多只允許3次重試。愛特梅爾的重試策略稍有不同，它可以使系統(tǒng)從通信錯(cuò)誤中更快地恢復(fù)過來。所有命令和可選數(shù)據(jù)都采用循環(huán)冗余碼校驗(yàn) (CRC) 來保護(hù)。密鑰卡和基站都利用CRC來檢測(cè)錯(cuò)誤，并把這些狀態(tài)信令給各自的通信伙伴，這就使基站可以選擇重復(fù)信息的數(shù)量、最后行為、最后應(yīng)答或最后命令。這種特性可實(shí)現(xiàn)更快的通信恢復(fù)，而且在相同的時(shí)間內(nèi)允許更多次的通信恢復(fù)嘗試 (5-7次重試，而不只是3次)

　　總結(jié)

　　通過選擇能夠滿足汽車市場(chǎng)的安全性和性能目標(biāo)，并且支持高度可配置的開源防盜器軟件堆棧的系統(tǒng)組件，可以大大簡(jiǎn)化開發(fā)一個(gè)穩(wěn)健汽車防盜系統(tǒng)的任務(wù)。作為汽車準(zhǔn)入解決方案的領(lǐng)導(dǎo)廠商，愛特梅爾擁有一個(gè)包含硬件和軟件的完善系統(tǒng)解決方案。

　　密鑰卡設(shè)計(jì)可采用 ATA5580 及 ATA5795 來實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)器件都包含有一個(gè)LF前端、一個(gè)執(zhí)行快速高效加密計(jì)算的AES硬件模塊，以及一個(gè)針對(duì)超低耗電量進(jìn)行了優(yōu)化的AVR微控制器。它們還均包含可編程閃存，可用于運(yùn)行愛特梅爾的開放式防盜器協(xié)議或其它客戶專用軟件，并能夠使防盜器完全無源工作。

　　車載基站可采用愛特梅爾 ATA5272 實(shí)現(xiàn)。該器件集成了 LF 基站功能和一個(gè)帶 8K 可編程閃存的 AVR 微控制器。

　　除了這些器件之外，愛特梅爾還向用戶免費(fèi)提供開放式防盜器協(xié)議軟件，能夠提供前所未有最高的用戶可配置性 (包括許多可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)權(quán)衡的動(dòng)態(tài)評(píng)估的用戶可選功能)，并加速開發(fā)和優(yōu)化進(jìn)程：

　　帶上行鏈路和下行鏈路波特率、位編碼和調(diào)制深度的邏輯層

　　帶詢問和應(yīng)答位長(zhǎng)度、單向或雙向驗(yàn)證、數(shù)據(jù)字段CRC、兩個(gè)密鑰、私密或公開Key Learn的協(xié)議層

　　AES加密時(shí)鐘速度 “在線” 從125 kHz 到 4 MHz 的加密層