KEELOQ技術(shù)的軟件實現(xiàn)
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摘要：KEELOQ技術(shù)是一種重要的安全加密解密技術(shù)，它具有多變化，抗截獲的特性。該技術(shù)的重要部分是保密的，只掌握在國外少數(shù)幾家公司手中。提出了一種實用可靠的KEELOQ算法，并給出了實現(xiàn)算法的軟件流程。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/242378.htm關(guān)鍵詞：KEELOQ技術(shù) 加密 解密 同步
KEELOQ技術(shù)作為一種保密的高新技術(shù)，對許多人來說比較陌生，但是它正廣泛應(yīng)用于各種防盜報警系統(tǒng)（特別是車輛的防盜報警系統(tǒng)）、
遙控電子鎖及其他完全的控制領(lǐng)域。它是一種多變化、抗截獲、安全可靠的跳碼加密解密技術(shù)。目前這項先進技術(shù)只掌握在國外少數(shù)幾家公司手中，他們利用集成電路設(shè)計的優(yōu)勢，把這項技術(shù)封裝在芯片里，向用戶銷售。工程師基于他們提供的硬件做一些開發(fā)，很多時候感到不方便。KEELOQ技術(shù)其實是一種復(fù)雜的協(xié)議，只要弄清楚它的原理，就可以根據(jù)實際需要在這個協(xié)議里選擇合適的參數(shù)。本文對KEELOQ技術(shù)進行了專門研究，提出了一種軟件實現(xiàn)方法，并將這一方法應(yīng)用于汽車防盜報警系統(tǒng)中。
1 KEELOQ技術(shù)的一般特點
KEELOQ技術(shù)作為一種安全實用的加密解密技術(shù)，具有以下特點：
（2）將KEELOQ技術(shù)應(yīng)用于通信中，安全性非常好。同一條命令，經(jīng)KEELOQ編碼后每次得到的碼字都不相同（在一個非常長的周期里），且這種變化是無規(guī)律的。
（2）發(fā)送方發(fā)送的碼只能被一個特定的對象有效接收，接收方只有預(yù)先取得（通過學(xué)習(xí)）發(fā)送方的加密鑰匙后，才能對接收到的數(shù)據(jù)進行有效解密。
（3）特定的對象只有經(jīng)過學(xué)習(xí)某一發(fā)送者的信息后，才能使用。
（4）這種技術(shù)能防止發(fā)送碼被截獲后再轉(zhuǎn)發(fā)帶來的危害。
（5）接收方能隨時清除自己保存的學(xué)習(xí)信息，使原來的發(fā)送方不能控制自己，這樣能有效避免第三方非法使用。
正是這些特點使得KEELOQ技術(shù)越來越受重視，越來越廣泛使用。
2 硬件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)
基于KEELOQ技術(shù)的專用芯片分為兩種：一種實現(xiàn)加密功能，一種實現(xiàn)解密功能，通常配合起來使用。實現(xiàn)加密功能的芯片帶有4個按鍵接口，組合使用可達(dá)15種功能。每一次有鍵按下，就自動生成KEELOQ加密碼。KEELOQ加密碼的組成一般如下：
| 描述信息 | 序列號 | 按鍵信號 | 校驗位 | 同步計數(shù)器 |
一旦芯片制造出來，上述項的長度就是確定的。如序列號的長度設(shè)計成28位，整個系統(tǒng)的容量就不會超過268435455（2 28-1），如果想擴展系統(tǒng)容量非常不方便。這種芯片在使用前必須預(yù)置一些初值（序列號、加密鑰匙、同步計數(shù)器）。發(fā)送方和接收方一起工作前，接收方必須先通過學(xué)習(xí)來獲得并存儲發(fā)送方的序列號、加密鑰匙和當(dāng)前同步計數(shù)器的值。
學(xué)習(xí)是KEELOQ技術(shù)的一個重要方面。
硬件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)加密過程如圖1所示。
序列號用來標(biāo)識不同的對象；加密鑰匙用來對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行加密，增加破譯的難度，它不直接送出去；同步計數(shù)器是用來抗截獲的，每次有鍵按下，同步計數(shù)器的值就被更新，它經(jīng)過加密變換后被發(fā)送出去。
硬件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)解密過程如圖2所示。
接收方在確認(rèn)序列號匹配后，對接收的數(shù)據(jù)進行解密，然后檢查同步計數(shù)器是否匹配，在確認(rèn)其匹配后，再去處理接收到的按鍵信令。
經(jīng)過使用發(fā)現(xiàn)用硬件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)存在下列不足之處：
（1）硬件成本高，在使用KEELOQ芯片時，還需要一個單片機（MCU）來控制，量產(chǎn)時這點顯得比較突出。
（2）按鍵信令必須組合（同時按下1個以上的鍵），否則只有4種功能，通過組合最多只有15種功能。這導(dǎo)致按鍵不方便、功能擴展幾乎不可能。
（3）某一特定型號的芯片其序列和同步計數(shù)器的長度是固定的。當(dāng)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)KEELOQ技術(shù)基本不可能。
（4）KEELOQ技術(shù)對按鍵信令編碼只停留在檢錯這一層面上，沒有作糾錯層面的編碼。
（5）受硬件設(shè)計限制，靈活性差；不擁有核心技術(shù)，容易受制于人。
正是這些不足之處促使我們研究用軟件來實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)。
3 軟件實現(xiàn)KEELOQ技術(shù)
KEELOQ技術(shù)的核心是KEELOQ算法，KEELOQ算法作為KEELOQ技術(shù)的重要部分是保密的。經(jīng)過長時間的探索、研究、驗證，本文提出了一種可靠的KEELOQ算法，并將其成功應(yīng)用到汽車防盜報警系統(tǒng)中，取得了非常好的效果。
序列號加密鑰匙選用32位的m序列，
對于一個用戶而言，其加密鑰匙和序列號不相同。同步計數(shù)器的長度從理論上講越長越好，但是如果越長其他方面的開銷就越大，這里選用16位的m序列。汽車防盜器由兩部分組成：裝在車身上的部分稱之為座機；手持控制部分稱之為手機。為了節(jié)省硬件開銷，手機只設(shè)計三個按鍵，無組合按鍵，一共有12種按鍵功能。每個鍵有四種狀態(tài)：一點按、兩點按、三點按、長按。這12種按鍵又分成兩類：一是控制座機操作的命令控制鍵（包括學(xué)習(xí)啟動鍵），一是手機自身操作鍵。每次按下命令控制鍵，就執(zhí)行KEELOQ加密過程。軟件實現(xiàn)KEELOQ加密操作流程如圖3所示。
對按鍵信令進行糾錯編碼處理是必要的：假設(shè)某次按鍵信令為0110，經(jīng)信道傳輸后，接收方解密得到的碼字變?yōu)?101，而0101也表示一種有效的命令。顯然，這種誤操作帶來的后果是嚴(yán)重的。用Walsh碼編碼，經(jīng)過編碼后，能同時發(fā)現(xiàn)并糾正3個或3個以內(nèi)的錯誤；同時根據(jù)編碼的特點，用加密鑰匙對編碼后的按鍵信令做變換處理。試驗表明這些措施極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。
KEELOQ算法的關(guān)系之處在于同步計數(shù)器。如前所述，手機在第一次使用前必須預(yù)置有效的序列號、同步計數(shù)器值、加密鑰匙。座機通過控制可以學(xué)習(xí)任何一只手機，學(xué)習(xí)成功手保存該手機的序列號、同步計數(shù)器值、加密鑰匙。每次按下命令控制鍵時，手機的同步計數(shù)器的值加1（僅僅只有一位發(fā)生變化），經(jīng)過m序列發(fā)生器，從統(tǒng)計的角度看，有一半的位發(fā)生改變。接收方的確認(rèn)接收數(shù)據(jù)的序列號匹配后，對接收數(shù)據(jù)進行解密，然后確定同步計數(shù)器是否匹配，只有同步計數(shù)器確認(rèn)匹配后，才處理接收的按鍵信令。通過圖4來說明確認(rèn)同步計數(shù)器的匹配過程。
習(xí)后才能對接收方進行有效控制。由于接收方每次接收到有效命令后，就更新自己同步計數(shù)器的值，使前一次用過的同步計數(shù)器的值成為禁用碼，不再有效。這樣就能夠避免發(fā)送的碼被截獲而再轉(zhuǎn)發(fā)帶來的危害。需要說明的是上述單次操作范圍、雙次操作范圍，以及同步計數(shù)器的長度可以根據(jù)實際需要來選擇。由于同步計數(shù)器非常重要，算法在處理時對它進行了檢錯編碼處理。軟件實現(xiàn)KEELOQ解密操作流程如圖5所示。
在KEELOQ技術(shù)中，學(xué)習(xí)功能一個重要部分。學(xué)習(xí)包括清除原來存儲的信息和學(xué)習(xí)新的信息，它分為一般學(xué)習(xí)和安全學(xué)習(xí)兩種。本文采用安全學(xué)習(xí)方式。通過長按座機上的學(xué)習(xí)清除鍵（該鍵有兩種功能：長按為清除功能，點按為進入學(xué)習(xí)模式）來清除原來手機的信息（原來的手機就不能控制該座機，必須通過學(xué)習(xí)后才能控制），點按座機上的學(xué)習(xí)清除鍵，如果誶機的原來信息已被清除，則進入學(xué)習(xí)模式；否則，點按無效，不進入學(xué)習(xí)模式。這時，如果手機發(fā)送學(xué)習(xí)啟動命令給座機，處于學(xué)習(xí)狀態(tài)的座機收到命令后立即向手機發(fā)送請求學(xué)習(xí)信號，收到請求信號后，手機將經(jīng)過變換處理后的加密匙和同步計數(shù)器立即發(fā)給座機，發(fā)送之后就退出學(xué)習(xí)狀態(tài)，并保存新的加密鑰匙和同步計數(shù)器值；座機確認(rèn)數(shù)據(jù)有效后，就保存加密鑰匙和同步計數(shù)器值并退出學(xué)習(xí)模式，需要繼續(xù)學(xué)習(xí)。每次學(xué)習(xí)時手機發(fā)給座機的加密鑰匙和同步計數(shù)器都不相同（無規(guī)律變化），這是安全學(xué)習(xí)的主要特點。為了更安全，座機最多只能學(xué)習(xí)一支手機的信息。安全學(xué)習(xí)操作流程如圖6所示。
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