引言

　　多年來，消費(fèi)者已習(xí)慣于依賴無源汽車防盜系統(tǒng)提供的便利性和加強(qiáng)的安全性。這種系統(tǒng)由駕駛員隨身攜帶的密鑰卡 (key fob) 與安裝在汽車?yán)锏幕窘M成。兩者協(xié)同工作，可判斷駕駛員是否有權(quán)啟動汽車;而更重要的是，系統(tǒng)能夠阻止非法用戶使用汽車。雖然表面看來汽車防盜器的功能性很簡單，但其基本實(shí)現(xiàn)技術(shù)卻十分復(fù)雜有趣。本文探討了汽車防盜器的硬件和軟件問題，并就設(shè)計(jì)和安全性方面的考慮事項(xiàng)給出了頗值得關(guān)注的評述。

　　通信

　　目前在無源汽車防盜系統(tǒng)中，密鑰卡與汽車之間的主要通信方法是利用調(diào)制磁場，這個(gè)磁場由汽車的防盜器基站從低頻 (一般為125 kHz) 交流電產(chǎn)生。該磁場的主要用途有三個(gè)：A) 密鑰卡的能量來源，故有“無源” (passive) 之稱;B) 從基站向密鑰卡 (即“下行鏈路”) 傳輸信息的載波;C) 從密鑰卡向基站 (即“上行鏈路”)傳輸信息的載波。

　　由于汽車防盜系統(tǒng)需要完全無源 (如無電池) 地工作，所以密鑰卡的磁場特性特別適合這種應(yīng)用。“下行鏈路”場檢測和“上行鏈路”場調(diào)制都可以利用耗電量極小的電路來實(shí)現(xiàn)。此外，利用飽和磁場的場能來為密鑰卡中的這些電路供電比較容易實(shí)現(xiàn)。

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，必須仔細(xì)考慮一些關(guān)鍵的參數(shù)，比如密鑰卡的能量要求 (會影響到天線線圈的幾何形狀和驅(qū)動電平)，以及驗(yàn)證過程的安全性 (對響應(yīng)時(shí)間有直接的影響)。下面將逐一對此進(jìn)行詳細(xì)闡述。

　　系統(tǒng)接口

　　汽車防盜器的系統(tǒng)架構(gòu)分為若干提取層，其中每一層代表不同的系統(tǒng)接口。圖1所示為這些分層的直觀表示。

　　圖1 汽車防盜器接口分層

　　物理層

　　汽車防盜系統(tǒng)的最底層是物理層，包含一個(gè)安裝在車上的天線線圈，能夠產(chǎn)生足夠的磁場，讓安裝在用戶密鑰卡中的天線線圈檢測與調(diào)制得到。

　　磁場產(chǎn)生與調(diào)制

　　根據(jù)磁場支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲煌?，汽車防盜系統(tǒng)可分為兩類：半雙工和全雙工。在半雙工系統(tǒng)中，車載天線線圈在能量傳輸和數(shù)據(jù)傳輸周期之間更替，而數(shù)據(jù)調(diào)制采用頻移鍵控 (FSK) 方式。這種通信方法的圖解如圖2所示。從圖2可明顯看出兩點(diǎn)：其一，由于需要反復(fù)執(zhí)行能量傳輸，如為密鑰卡充電，數(shù)據(jù)傳輸率大打折扣;其二，相比能量傳輸期間的磁場，被調(diào)制信號極小，因此其更容易受到周圍環(huán)境噪聲的干擾，導(dǎo)致傳輸距離減小。這些特性使得半雙工系統(tǒng)逐漸式微。

　　目前主要使用的是全雙工系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，車載天線線圈同步執(zhí)行能量傳輸和數(shù)據(jù)傳輸，而數(shù)據(jù)調(diào)制采用幅移鍵控 (ASK) 方式。圖3所示為這種通信方法的圖解。顯然，由于能夠同步進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和密鑰卡供能或充電，這種方法的數(shù)據(jù)傳輸率大大優(yōu)于半雙工系統(tǒng)。而且，恒定的載波場往往還可以屏蔽掉干擾，在數(shù)據(jù)傳輸期間確保通信的穩(wěn)健可靠。此外，這種方案可以采用簡單的包絡(luò)檢波電路來實(shí)現(xiàn)。鑒于目前市面上全雙工汽車防盜系統(tǒng)的流行，下面將專門討論這類系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)接口：邏輯層

　　物理層上面是邏輯層。這一層涉及磁場上數(shù)據(jù)傳輸和編碼的特性及要求。它適用于從汽車到密鑰卡 (通常被稱為“下行鏈路”)，以及從密鑰卡到汽車的雙向數(shù)據(jù)傳輸 (被稱為“上行鏈路”)。

　　下行鏈路

　　下行鏈路的信息采用脈沖長度調(diào)制方法：一般是二進(jìn)制脈沖長度調(diào)制 (BPLM) 或 Quad 脈沖長度調(diào)制 (QPLM))來進(jìn)行編碼。這種方法基于插入一個(gè)長度固定的載波場時(shí)隙“Tgap”，并設(shè)置時(shí)隙到時(shí)隙的時(shí)間間隔，以預(yù)先確定次數(shù)：T0 對應(yīng)于邏輯“0”，T1 對應(yīng)于邏輯“1”。這種方案的好處是它把從汽車到密鑰卡的能量傳輸嵌入到數(shù)據(jù)編碼中，并確保密鑰卡有足夠的供能用于處理被編碼的數(shù)據(jù)。不過，這種編碼方法也有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是數(shù)據(jù)傳輸波特率必須依賴于正在發(fā)送的數(shù)據(jù)位流的邏輯值，因?yàn)槊恳粋€(gè)二進(jìn)制狀態(tài)的傳輸時(shí)間都是不同的。圖4給出了這種編碼方法的更詳盡的圖解。

　　圖4 BPLM編碼方法

　　QPLM 是BPLM 的一種變體。利用這種調(diào)制方法， 一個(gè)時(shí)隙后傳輸兩個(gè)比特位，于是在收發(fā)器端有更多的能量可用。此外，其平均波特率比BPLM的高。除了允許的狀態(tài)數(shù)目從2擴(kuò)展到4，而預(yù)定的時(shí)隙間隔被擴(kuò)展以覆蓋更多的狀態(tài)之外，這種編碼方法與BPLM的基本實(shí)現(xiàn)原理是相同的。圖5所示為QPLM的直觀表示。

　　圖5 QPLM編碼方法

　　上行鏈路

　　從用戶密鑰卡到車載基站的信息通信一般采用曼徹斯特 (Manchester) 或雙相 (Bi-phase) 編碼。這些編碼方法都共有一些不同于下行鏈路的特性：A) 被編碼位流的平均占空比總是為50%;B) 發(fā)送被編碼數(shù)據(jù)的時(shí)間只依賴于波特率。上述兩種編碼技術(shù)都能夠從被編碼數(shù)據(jù)流中提取時(shí)鐘，這是因?yàn)榫幋a位流中的所有時(shí)間段都被量子化為T 或 2T (T 表示 “半個(gè)比特位”)。數(shù)據(jù)率固定為1/(2T)。時(shí)鐘提取只需要檢測最小時(shí)間段因子T，并使其相位與被編碼的位流同步即可。

　　圖6 曼徹斯特 (Manchester) 和雙相 (Bi-phase) 編碼

　　協(xié)議層

　　協(xié)議層定義各個(gè)數(shù)據(jù)位的分組，以實(shí)現(xiàn)車載基站和密鑰卡之間的通信。它定義有多少個(gè)比特位，以及它們按什么順序在讀取器和收發(fā)器之間進(jìn)行傳輸。打個(gè)簡單的比方，這就類似于使用單詞構(gòu)成句子的語法規(guī)則。協(xié)議層就象由邏輯層構(gòu)成的句子，而邏輯層則相當(dāng)于單詞。它形成一組固定的命令及其允許的應(yīng)答。

　　驗(yàn)證

　　驗(yàn)證是用來描述判斷駕駛員是否有權(quán)啟動汽車這一個(gè)過程的術(shù)語。最簡單的驗(yàn)證形式被稱為單向驗(yàn)證 (unilateral authentication)，這種情況下，汽車對密鑰卡進(jìn)行“測試”，以確定它是否與汽車匹配。若在這一過程中再增加一個(gè)步驟，即讓鑰匙也對汽車進(jìn)行“測試”，判斷其是否匹配，這時(shí)就成為了雙向或交互式驗(yàn)證。顯然，增加的這一步驟提高了安全強(qiáng)度，不過代價(jià)是驗(yàn)證時(shí)間延長。

　　單向驗(yàn)證

　　一般而言，單向驗(yàn)證協(xié)議由汽車發(fā)起，并包含以下幾個(gè)步驟：

　　1) 汽車讀取密鑰卡的唯一ID (不會與密鑰混淆)

　　2) 汽車產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)詢問(challenge)，并發(fā)送給密鑰卡

　　3) 密鑰卡對詢問進(jìn)行加密(使用密鑰)，然后向汽車發(fā)送應(yīng)答(response)

　　4) 汽車對密鑰卡的應(yīng)答與自己計(jì)算的應(yīng)答進(jìn)行比較 (使用相同的密鑰和詢問)

　　注：汽車必須擁有密鑰卡的密鑰，這一過程才能成功完成。共享密鑰的過程被稱為“Key Learn”，下一節(jié)將詳細(xì)闡述。

　　圖7 單向驗(yàn)證

　　Key Learn: 公開/ 私密

　　Key Learn協(xié)議是指使汽車設(shè)立密鑰，并與密鑰卡共享之的過程?？梢愿鶕?jù)汽車發(fā)起的Key Learn會話的限制與安全設(shè)置，密鑰是公開的或私密的。

　　一個(gè)公開的Key Learn進(jìn)程一般包含以下 (以及圖8所示) 步驟：

　　1) 汽車根據(jù)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生一個(gè)密鑰，并提交給密鑰卡

　　2) 密鑰卡“接受”密鑰，保存在存儲器中，并做出應(yīng)答 (acknowledgment) 響應(yīng)

　　3) 在成功接收到密鑰卡的應(yīng)答之后，汽車把密鑰保存在存儲器中

　　如果Key Learn協(xié)議無法阻止竊聽者，或保護(hù)汽車不被非法使用，這時(shí)就需要采用私密Key Learn 進(jìn)程。

　　圖8 公開的Key Learn

　　雙向或準(zhǔn)交互式驗(yàn)證

　　準(zhǔn)交互式或雙向驗(yàn)證是一種更為復(fù)雜的驗(yàn)證過程。愛特梅爾防盜系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的并非完全交互式的驗(yàn)證，因?yàn)樗]有在系統(tǒng)兩端 (汽車和密鑰卡) 使用隨機(jī)發(fā)生器。這種實(shí)現(xiàn)方案使用一個(gè)消息驗(yàn)證代碼 (Message Authentication Code, MAC) 來驗(yàn)證汽車與鑰匙是否匹配。

　　而且，在雙向驗(yàn)證的情況下，驗(yàn)證協(xié)議由汽車發(fā)起，包含以下(以及圖9所示)步驟：

　　1) 汽車讀取密鑰卡的唯一ID

　　2) 汽車產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)詢問 ，并發(fā)送給密鑰卡

　　3) 汽車對隨機(jī)數(shù)進(jìn)行加密，然后附加在詢問上

　　4) 密鑰卡對詢問進(jìn)行加密 (利用密鑰 1) ，并將之與接收到的加密詢問進(jìn)行比較　(MAC)

　　5) 如果結(jié)果匹配，密鑰卡加密之 (利用密鑰2) ，并向汽車發(fā)送應(yīng)答

　　6) 汽車對密鑰卡的 應(yīng)答與自己計(jì)算的應(yīng)答進(jìn)行比較(使用相同的密鑰和詢問)

　　圖9 雙向驗(yàn)證

　　加密層

　　最頂層是加密層。這一層包含了把純文本信息轉(zhuǎn)換為加密信息的數(shù)學(xué)函數(shù)。這種函數(shù)最理想的應(yīng)該具有兩種特性：

　　1. 唯一性：對于每一個(gè)純文本輸入，必須對應(yīng)一個(gè)獨(dú)一無二的加密文本輸出

　　2. 不可預(yù)知性：純文本至加密文本對必須是無法預(yù)測的，即使有已知純文本至加密文本對大樣本供分析。

　　公開與私密

　　私密加密算法已流行多年。不過，私密算法有若干不足之處：A) 算法強(qiáng)度不確定;B) 缺乏關(guān)鍵的代碼對等評測機(jī)制的制約;C)若算法泄漏，可能導(dǎo)致大范圍安全性受損。 近年來，有不少矚目的例子陸續(xù)被報(bào)道，足以說明這些缺點(diǎn)的存在。更引人注目的缺點(diǎn)也許是系統(tǒng)缺乏互操作性，不能共享同一個(gè)物理和邏輯層。這一點(diǎn)有礙于基本的市場競爭力，而且在很多情況下促使了系統(tǒng)成本的上升。

　　為解決這些問題，人們開始轉(zhuǎn)而接受公共域加密算法 ── 高級加密標(biāo)準(zhǔn) (常常被稱為AES)。這種算法源于1997年美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所 (NIST) 發(fā)起的征集公共域加密算法的倡議。那一年共產(chǎn)生了15個(gè)候選算法，并都經(jīng)過了加密研究領(lǐng)域的嚴(yán)格評測 (critical review)。這種評測分析包括對每一種算法的安全性和效率的評測。NIST 從15 個(gè)候選算法里選中了4 個(gè)，然后進(jìn)入第二輪公開評測，最終在2000年選出了AES算法。

　　正如我們現(xiàn)在所了解的，AES是一種對稱分組密碼，使用128位的純文本輸入和128位的密鑰，產(chǎn)生128位的加密輸出。由于這種對稱特性，AES也可以反向操作，利用加密輸出和密鑰，找出并提取原始純文本輸入。

　　系統(tǒng)安全性考慮事項(xiàng) – 攻擊及防范對策

　　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策

　　如前所述，加密算法必須擁有唯一及不可預(yù)測的特性。以AES為例，算法的詳細(xì)工作原理對公眾是完全公開的，因此，它已經(jīng)過了研究領(lǐng)域的嚴(yán)格評測。這是迄今最好的防范對策。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)議安全性及防范對策

　　在使用單向驗(yàn)證的系統(tǒng)中，對協(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)級增長

　　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。這些“詢問-應(yīng)答”配對被放在查找表或“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。“生日悖論” (Birthday paradox) 表明在2n/2 個(gè)記錄的“詢問-應(yīng)答”配對和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)該考慮的防范對策為：

　　提高詢問的位長度，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策

　　近年來，攻擊手段日趨復(fù)雜先進(jìn)。“邊信道”攻擊，比如簡單功耗分析 (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量和評估加密設(shè)備的耗電量，再結(jié)合純文本密碼文本方面的知識，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策，最佳防御手段的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)簡單。下面是可以考慮使用的一些步驟實(shí)例：

　　存儲塊的金屬屏蔽

　　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，限制存儲器訪問和自動芯片擦除功能

　　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)只對給定系統(tǒng)配置有效，并取決于天線的電感、Q因子、驅(qū)動電流、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，能量需從磁場采集，并存儲在很小的電容中，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)動插入門鎖的密鑰卡到引擎啟動所需的時(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)不錯的折衷方法是采用詢問位長度為100位，應(yīng)答長度為56位的雙向驗(yàn)證。在大多數(shù)系統(tǒng)中，這會把應(yīng)答時(shí)間降至100ms以下。

　　錯誤處理

　　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，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來檢測錯誤，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)衡的動態(tài)評估的用戶可選功能)，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