飛思卡爾汽車遠程無鑰匙進入系統(tǒng)(RKE)方案和VKSP安全協(xié)議

　　針對日益增長的汽車遙控無鑰匙進入系統(tǒng)(RKE)市場，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。

　　汽車遙控無鑰匙進入系統(tǒng)(RKE)由發(fā)射端(遙控鑰匙)和集成于車身控制模塊中的接收端組成。發(fā)射端將用戶按鍵命令通過數(shù)據(jù)編碼、加密和組幀后通過射頻發(fā)射電路發(fā)射，而車內(nèi)接收端則將接收到的信號通過射頻解調(diào)、數(shù)據(jù)解碼和幀解密后完成相應車門、車燈控制和報警等用戶指令，系統(tǒng)框圖如圖1。

圖1 飛思卡爾RKE系統(tǒng)簡化框圖

　　發(fā)射端：使用Freescale低端8位MC9S08QG4/8(4k/8K flash)微控制器完成用戶按鍵的數(shù)據(jù)編碼、加密組幀，再通過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(diào)和數(shù)據(jù)曼徹斯特解碼，再將數(shù)據(jù)傳送到車身主控芯片(本參考設(shè)計選用了8位MC9S08DZ系列)進行數(shù)據(jù)解密和指令執(zhí)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)是飛思卡爾專門為遙控類應用市場開發(fā)的安全傳輸協(xié)議。VKSP的發(fā)送過程如圖2，其特點包括：

　　* 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(shù)器)部分隨時間和按鍵而增加;

　　* 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(xù)正常使用，不需要和接收端重新進行該鑰匙的學習流程;

　　* 最大支持254個不同指令傳輸;

　　* 除了采用飛思卡爾提供的AES加密算法模塊外，用戶也可以根據(jù)需要(如縮小程序大小，減少解密時間)使用自己的加密算法模塊;

　　* 純軟件實現(xiàn)，可以靈活的使用于各類微控制器;

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

圖2 VKSP發(fā)送幀產(chǎn)生

　　每次按下鑰匙，將會產(chǎn)生一個發(fā)送幀。發(fā)送幀有兩個部分：數(shù)據(jù)部分和消息驗證碼(MAC)部分。數(shù)據(jù)部分不用加密，由三個部分共64位組成：鑰匙號：3個字節(jié)。用戶命令：1個字節(jié)。可變密鑰：4個字節(jié)，每次發(fā)送隨時間和用戶按鍵而增加，以確保即使用戶命令相同，每次發(fā)送的消息幀內(nèi)容也不會重復。消息驗證碼(MAC)部分則有8個字節(jié)，由加密模塊產(chǎn)生。接收過程分為三步，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(shù)據(jù)庫中，如果存在，則從接收端數(shù)據(jù)庫中同時取出該鑰匙對應的本地密鑰(Local Key)和可變密鑰 (Variable Key)，進入下一步驟， 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(shù)據(jù)庫中該鑰匙目前的可變密鑰，如是，進入下一步驟，否則丟棄該幀。?這一步驟保證了任何再次重復發(fā)送的幀不會被認為有效幀。

　　* 步驟三：進行消息碼驗證。由接收幀中的數(shù)據(jù)字段和從接收數(shù)據(jù)庫中取出的該鑰匙本地密鑰通過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消息驗證碼相同，則該幀被認為有效，用戶命令被執(zhí)行。同時，更新該鑰匙當前的可變密鑰至接收端數(shù)據(jù)庫中。

　　由上述過程可知，每一把新鑰匙必須首先完成學習過程，即將該鑰匙的鑰匙號和本地密鑰存儲到接收端數(shù)據(jù)庫以后，該鑰匙才能被識別使用。為了系統(tǒng)安全性，接收系統(tǒng)必須在指定的安全環(huán)境被激活的狀態(tài)下才進行學習幀的識別，例如用戶在接收端按下一個特定的按鍵或者開關(guān)，圖4表示了學習過程和學習幀的結(jié)構(gòu)。

圖4 VKSP學習過程和學習幀

　　* 接收端首先檢查是否處于安全環(huán)境激活狀態(tài)，從而決定是否進行學習幀識別。

　　* 發(fā)送端利用一個偽隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生128位隨機數(shù)，然后和廠商提供的128位OEM碼(發(fā)送端和接收端必須共享同樣的OEM碼)通過加密模塊產(chǎn)生128位輸出數(shù)據(jù)，截取其中64位作為消息驗證碼，截取特定位數(shù)存儲在發(fā)送端作為該鑰匙本地密鑰。同時，將該128位隨機數(shù)和消息驗證碼通過兩個連續(xù)的學習幀發(fā)送。兩個學習幀分別由數(shù)值0XFE和0XFF特征碼來識別。

　　* 接收端通過特征碼檢測到學習幀并提取其中的128位隨機數(shù)，然后依靠和發(fā)送端同樣的廠商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(shù)據(jù)庫中，從而完成該鑰匙的學習過程。

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

　　* 系統(tǒng)選用通用MCU控制器，客戶可以根據(jù)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，解密算法集成在車身控制器中實現(xiàn)，簡化了方案，節(jié)約了成本。

　　* 鑰匙端系統(tǒng)當沒有用戶按鍵時候，處于休眠狀態(tài)，節(jié)省系統(tǒng)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(diào);片內(nèi)支持數(shù)據(jù)曼徹斯特解碼，節(jié)省了外部微控制器解碼軟件系統(tǒng)占用;具有片內(nèi)定時喚醒、片腳喚醒并可設(shè)置特定幀喚醒外部MCU功能，節(jié)省系統(tǒng)功耗;同時支持兩套系統(tǒng)參數(shù)配置。上述特性也使得該芯片還可以應用于被動無鑰匙門禁系統(tǒng)(PKE)和胎壓檢測(TPMS)系統(tǒng)中。

　　* VKSP數(shù)據(jù)協(xié)議：純軟件實現(xiàn)，采用128位AES加密，增加了安全性;本地密鑰在鑰匙每次的學習過程中通過偽隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，所以對每把鑰匙的每次學習過程將產(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(tǒng)實物如圖5和圖6。

圖5 RKE評估系統(tǒng)鑰匙端照片

圖6 RKE評估系統(tǒng)接收端照片

　　*注明：本文中所提芯片均已量產(chǎn)，數(shù)據(jù)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 。