CN1814974A - 公钥跳码安全***及方法 - Google Patents

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Abstract

一种公钥跳码安全***及方法，主要包括：电子钥匙的发送端和接收端两部分构成，其特征在于：发送端收到按键信号后控制程序执行加密发送操作，从存储器中读出产品的序列号、加密密钥、同步计数器值、不可约多项式Fm值；将这些数据送入加密单元，完成加密后将送入移位寄存器后发射；接收端收到信号后控制程序从存储器中读入序列号、解密密钥、不可约多项式、同步计数数据，进行解密并验证，将新的同步计数值回写存储器，在执行学习模式时，将新的序列号和解密密钥回写存储器，当序列号有效，但解密无效时，将输出报警信号，解密有效后，学习成功，将新的序列号、同步计数器值、解密密钥写入以刷新存储器。优点是：***安全性高，成本低。

Description

公钥跳码安全***及方法
技术领域：
本发明涉及一种公钥跳码安全***及方法，特别涉及一种用微处理器控制的电子钥匙、门锁***的加密跳码安全***及方法。
背景技术：
在日常的生活中经常使用门锁，随着电子技术的发展电子钥匙、电子门锁***广泛地被采用，人们通过使用电子钥匙，发送一些特定的无线信号，门锁***在接收到这些信息后，自动执行一系列相应的操作，如开门、开锁、开灯、预热内部空调等等。但最初投入市场遥控门锁如汽车的门锁***大部分都是基于固定的编码技术，电子钥匙每次发出的码都是固定的值，一些不法分子使用扫描器(Scanner)和截获器(grabber)等设备可以轻易破解和进入此类门锁***。后来又发明了滚动码(rolling code)，电子钥匙每次发的码都不一样，固定在一些码字中循环，这使得安全性提高了一些，之后又发明了分组密码加密算法的跳码(hoping code)安全***，但是随着技术的发展，破解者的技术和设备也越来越先进，分组密码跳码***的安全性还是不能确保***的安全。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种公钥跳码安全***及方法，本发明主要包括：电子钥匙的发送端和接收端两部分构成，发送端由按键、可擦写存储器(EEPROM)、随机数发生器、加密单元、移位寄存器、振荡器、LED驱动、功耗控制、控制单元组成，接收端由射频指令接收模块、可擦写存储器(EEPROM)和一个单片机组成，，其特征在于：发送端收到按键信号后控制程序执行如下的步骤：执行加密发送操作，首先是功耗控制单元打开各个部分的功耗控制，为各单元提供时钟信号；然后由随机数发生器生成随机数，并从可擦写存储器(EEPROM)中读出产品的序列号、加密密钥、同步计数器值、不可约多项式(Fm)值；将随机数、加密密钥、不可约多项式(Fm)值、序列号一起送入加密单元，完成加密过程后将需要传输的信息送入移位寄存器，然后发射出去，发送端每次传送的信息为64bit，包括三个部分，第一部分是由4bit按键信息和产品序列号前12bit构成的16bit明码信息，第二部分是由16bit随机数和序列号后16bit进行异或生成的，而第三部分是经过加密算法而得到的32bit跳码，经随机数组合后，执行如下的步骤：
Encrypted Data＝(Serial Number^Random Number|Counter^Random Number)*CryptKey(mod Fm)即：加密后的数据等于，序列号异或随机数和同步计数异或随机数组成的数据，与加密密钥在有限域相乘的积。得到的即为32bit的加密跳码信息。
加密密钥的方式为：Cryptkey*DecryKey＝l(mod Fm)即：加密密钥和解密密钥在限域相乘的积为1。
接收端收到信号后控制程序执行如下的步骤：单片机接收到指令信息后，从可擦写存储器(EEPROM)中读入序列号、解密密钥、不可约多项式、同步计数数据，进行解密并验证指令是否有效，如果有效则将相应的按键操作命令输出，并将新的同步计数值回写可擦写存储器(EEPROM)，在执行学习模式(Learning mode)时，还要将新的序列号和解密密钥回写可擦写存储器(EEPROM)。当接收端连续收到若干此序列号有效，但解密无效的信息时，单片机将输出报警信号(Alarm)以警示被扫描攻击。接收码分成两部分，第一部分32bit的序列号，第二部分32bit的跳码信息，其中跳码对应明文又由两部分组成，16bit随机数和16bit随机数与16bit同步计数器的异或值，在执行学习模式(Learning mode)时按如下的步骤：收到64bit的信息；从可擦写存储器(EEPROM)中读出厂商号和不可约多项式(Fm)，由新的序列号和算法解密密钥计算出新的解密密钥，并暂存此序列号和解密密钥；用新的解密密钥解密跳码信息得到对应明文；用对应明文第一部分与第二部分进行异或操作，计算出同步计数器值，并将其暂存；再次接收一个64bit的码字；将其序列号与第一次的进行比较，相同执行下一步，否则认为学习失败，不做任何操作，结束退出；用解密密钥解密跳码信息得到明文；将明文第一部分和第二部分进行异或得到该次的同步计数器值；将其与前次的进行比较，如果比前次的刚好大1执行下一步，否则认为学习失败，不做任何操作，结束退出；学习成功，将新的序列号、同步计数器值、解密密钥写入以刷新EEPROM，结束。
解密密钥的方式为：DecryKey＝SerialNumber*Manufacture ID(mod Fm)即：解密密钥等于序列号和厂商的唯一标志在有限域相乘的积。
本发明的优点是：***采用公钥算法跳码的技术、加解密单元、随机数发生器的设计以及发送端芯片整体***的设计，运用同步计数器、学习模式(Learning mode)的设计，从而提高***的安全性，由于接收端只需要使用带有解码程序单片机而不需要专门的解码芯片，降低了成本。
附图说明：
图1本发明发送端电路的结构图
图2本发明发送芯片设计总体方案图
图3本发明发送端的加密过程框图
图4本发明接收端电路的结构图
图5本发明接收端的解密算法框图
图6本发明解密程序流程框图
图7本发明学习模式程序流程框图
1发送端芯片、B0按键输入、B1按键输入、B2按键输入、B3按键输入、3发光二极管、4可擦写存储器(EEPROM)、5随机数发生器、6加密单元、7移位寄存器、8振荡器、9LED驱动、10功耗控制、11控制单元、12复位电路、13射频指令接收模块、14可擦写存储器(EEPROM)、15单片机
具体实施方式：
***主要参数：
加密密钥(CryptKey)32bit，应用于加密过程；
解密密钥(DecryKey)32bit，应用于解密过程；
按键信息(ButtonInfo)4bit，需要传输的信息，接收端将按照按键信息进行相应的操作；
序列号(Serial Numbs)28bit，每个电子钥匙的唯一标志，门锁***依靠这个标志辨别是否是自己的电子钥匙；
同步计数(Counter)16bit，电子钥匙每按一次，该数字加一，用于经过加密生成跳码和一些安全性检查；
厂商ID(ManufactureID)32bit，每个汽车厂商的唯一标志，该标志和序列号联合起来用于生成加密密钥和解密密钥；
加密后数据(Encrypted Data)32bit，即电子钥匙每次发送的数据的变化部分，由同步计数和序列号加密所得，用于实现跳码(hoping code)；
随机数(Random Number)16bit，提高跳码变化率和安全性的关键参数，用于加密过程；
不可约多项式(Fm)32bit，加密运算和解密运算的关键参数，也是生成加密密钥和解密密钥的关键；(参见图1)，***的发送端(即加密端)，由发送端芯片1、按键输入B0、B1、B2、B3、发光二极管3构成。发送端芯片1主要进行加密和发送的工作，有八个有效接口，包括4bit的按键输入信息、VDD、VSS、LED驱动输出和PWM信号输出。按键输入为四位，分别连到发送端芯片1的4个按键输入B0、B1、B2、B3的接口，用户通过它输入受控端需要执行的命令。发光二极管3由LED驱动输出驱动，显示按键信息是否被有效的加密和输出。VDD为电源高电平输入，VSS为接地。
在发送端，用户操作按钮后，按键信息输入发送端芯片1，芯片经过加密运算后，将加密后的信息，包括明码、伪跳码和跳码部分，通过PWM口发送出去，从而完成了一次指令发送操作。(参见图2)，由按键输入、可擦写存储器(EEPROM)4、随机数发生器5、加密单元6、移位寄存器7、振荡器8、LED驱动9、功耗控制10、控制单元11等部分构成。按键输入是接收来自按键的输入信息；可擦写存储器(EEPROM)4用于存放产品序列号、加密密钥、不可约多项式Fm、同步计数等；随机数发生器5用于产生随机数，该随机数将用于加密过程；加密单元主要执行加密操作，并输出加密后的32bit跳码信息；移位寄存器用于暂存待发送的信息，发送的信息将一位位的发送出去；振荡器8是整个电路的时钟源，为电路提供时钟；LED驱动9外部的一个LED显示管；复位电路12用于产生复位信号；功耗控制10用于降低功耗，在收到按键信息后，才对电路其他各部分提供时钟信号，在执行完加密和发送操作，即断开其他部分的时钟信号；整个***的控制，各个模块的协同，都由控制单元完成。
发送端芯片1在收到由按键出来的按键信息后，开始执行加密发送操作。首先是功耗控制单元10打开各个部分的功耗控制，为各单元提供时钟供应；然后由随机数发生器5生成随机数，并从可擦写存储器(EEPROM)4中将产品的序列号、加密密钥、同步计数器值、不可约多项式(Fm)值等读出；将随机数、加密密钥、不可约多项式(Fm)值、序列号等一起送入加密单元6，完成加密过程后将需要传输的信息送入移位寄存器7，然后发射出去。从而完成了加密过程和发送操作。
发送端的加密过程(参见图3)：命令发送端每次传送的信息为64bit，包括三个部分：第一部分是由4bit按键信息和产品序列号前12bit构成的16bit明码信息，第二部分是由16bit随机数和序列号后16bit进行异或生成的，而第三部分是经过加密算法而得到的32bit跳码，加密前的32bit明文又由两部分组成，即16bit随机数和序列号后16bit进行异或生成的16bit码和16bit随机数与16bit同步计数器进行异或生成的16bit码。
加密中需要用到的数据有：加密密钥32bit，不可约多项式32bit，序列号的低16bit，随机数16bit和同步计数16bit。由序列号的低16bit和同步计数一起组成待加密的数据，使用随机数混乱后，进行如下操作：
Encrypted Data＝(Serial Number^Random Number|Counter^Random Number)*CryptKey(mod Fm)即：加密后的数据等于，序列号异或随机数和同步计数异或随机数组成的数据，与加密密钥在有限域相乘的积。得到的即为32bit的加密跳码信息。
接收端电路主要由射频指令接收模块13、(参见图4)可擦写存储器(EEPROM)14和一个单片机15组成。射频指令接收模块13，用于串行接收发送端发出的无线遥控指令，并将指令以数字信号形式传输给单片机15；可擦写存储器(EEPROM)14存放解密要用到的序列号、解密密钥、不可约多项式(Fm)、同步计数等；单片机15接收到指令信息后，从可擦写存储器(EEPROM)14中读入序列号、解密密钥、不可约多项式、同步计数等，进行解密并验证指令是否有效，如果有效则将相应的按键操作命令输出，并将新的同步计数值回写到可擦写存储器(EEPROM)14，在执行学习模式(Learning mode)时，还要将新的序列号和解密密钥回写可擦写存储器(EEPROM)14。当接收端连续收到若干此序列号有效，但解密无效的信息时，单片机15将输出报警信号(Alarm)以警示被扫描攻击。
接收端解密方式如下：
(Serial Number^Random Number|Counter^Random Number)＝Encrypted Data*DecryKey(mod Fm)即：序列号异或随机数和同步计数异或随机数组成的数据等于，接收到的数据与解密密钥在有限域相乘的积。
本发明的接收端解密程序操作流程为：(参见图6)
1)将接受到码字第一部分中的前12bit序列号与读出的进行比较，如果相同执行2)，否则执行8)；2)利用解密算法对跳码信息进行解密，并比较第二部分与跳码对应明文的第一部分，如果相同执行3)，否则执行8)；3)将读出的序列号的后16bit与跳码对应明文的第一部分(或者整个码字第二部分)进行异或，计算出发送端的随机数；4)由该随机数与跳码对应明文的第二部分进行异或操作，计算出同步计数器值；5)将其与读出值进行比较，若其大于读出值且差值在指定范围内执行7)，否则执行6)；6)将由4)计算出的同步计数器值暂存，再进行一次接收，即从1)开始到5)，如果新值比暂存值大1执行7)，否则执行8)；7)认为接收成功，将新的同步计数器值写入以刷新EEPROM，同时执行码字第一部分中按键信息所要求的操作，结束。8)认为接收失败，判断是否经过了若干次序列号比较有效而解密失败，如果是则判定收到扫描攻击，输出报警信号并返回，否则直接执行报警信号。
学习模式：(参见图7)，
学习模式主要针对新的电子钥匙，对汽车内部的信息进行更新，包括：产品序列号、解密密钥和同步计数器等。在学习模式中，我们考虑其接收码分成两部分：第一部分16bit随机数、第二部分16bit随机数异或同步计数器。学习模式下，具体解码步骤为：1)进行接收，得到64bit码字；2)从EEPROM中读出厂商号和Fm，由新的序列号和算法解密密钥计算出新的解密密钥，并暂存此序列号和解密密钥；3)用新的解密密钥解密跳码信息得到对应明文；4)用对应明文第一部分与第二部分进行异或操作，计算出同步计数器值，并将其暂存；5)再次接收一个64bit的码字；6)将其序列号与第一次的进行比较，相同执行7)，否则执行10)；7)用解密密钥解密跳码信息得到明文；8)将明文第一部分和第二部分进行异或得到该次的同步计数器值；9)将其与前次的进行比较，如果比前次的刚好大1执行10)，否则执行11)；10)认为学习成功，将新的序列号、同步计数器值、解密密钥写入以刷新EEPROM，结束。11)认为学习失败，不做任何操作，结束。
密钥的生成方法：
加密密钥和解密密钥的生成方式如下。
生成加密密钥：Cryptkey*DecryKey＝l(mod Fm)即：加密密钥和解密密钥在有限域相乘的积为1。
生成解密密钥：DecryKey＝SerialNumber*ManufactureID(mod Fm)即：解密密钥等于序列号和厂商的唯一标志在有限域相乘的积。

Claims (5)

1.一种公钥跳码安全***及方法，主要包括：电子钥匙的发送端和接收端两部分构成，发送端由按键、可擦写存储器(EEPROM)、随机数发生器、加密单元、移位寄存器、振荡器、LED驱动、功耗控制、控制单元组成，接收端由射频指令接收模块、可擦写存储器(EEPROM)和一个单片机组成，其特征在于：所述发送端收到按键信号后控制程序执行如下的步骤：
a)执行加密发送操作，功耗控制单元打开各个部分的功耗控制，为各单元提供时钟信号；b)然后由随机数发生器生成随机数，并从可擦写存储器(EEPROM)中读出产品的序列号、加密密钥、同步计数器值、不可约多项式(Fm)值；c)将随机数、加密密钥、不可约多项式(Fm)值、序列号一起送入加密单元，并将完成加密后需要传输的信息送入移位寄存器，然后发射出去；
所述接收端收到信号后控制程序执行如下的步骤：
单片机接收到指令信息后，从可擦写存储器(EEPROM)中读入序列号、解密密钥、不可约多项式、同步计数数据，进行解密并验证指令是否有效，如果有效则将相应的按键操作命令输出，并将新的同步计数值回写可擦写存储器(EEPROM)，在执行学习模式(Learning mode)时，还要将新的序列号和解密密钥回写可擦写存储器(EEPROM)，当接收端连续收到若干此序列号有效，但解密无效的信息时，单片机将输出报警信号(Alarm)以警示被扫描攻击。
2.根据权利要求1所述的一种公钥跳码安全***及方法，其中所述的发送端每次传送的信息为64bit，包括三个部分，第一部分是由4bit按键信息和产品序列号前12bit构成的16bit明码信息，第二部分是由16bit随机数和序列号后16bit进行异或生成的，而第三部分是经过加密算法而得到的32bit跳码，经随机数组合后，执行如下的步骤：
Encrypted Data＝(Serial Number ^Random Number|Counter ^Random Number)*CryptKey(mod Fm)即：加密后的数据等于，序列号异或随机数和同步计数异或随机数组成的数据，与加密密钥在有限域相乘的积。得到的即为32bit的加密跳码信息。
3.根据权利要求1所述的一种公钥跳码安全***及方法，其中所述的接收码分成两部分，第一部分32bit的序列号，第二部分32bit的跳码信息，其中跳码对应明文又由两部分组成，16bit随机数和16bit随机数与16bit同步计数器的异或值，在执行学习模式(Learning mode)时按如下的步骤：收到64bit的信息；从可擦写存储器(EEPROM)中读出厂商号和Fm，由新的序列号和算法解密密钥计算出新的解密密钥，并暂存此序列号和解密密钥；用新的解密密钥解密跳码信息得到对应明文；用对应明文第一部分与第二部分进行异或操作，计算出同步计数器值，并将其暂存；再次接收一个64bit的码字；将其序列号与第一次的进行比较，相同执行下一步，否则认为学习失败，不做任何操作，结束退出；用解密密钥解密跳码信息得到明文；将明文第一部分和第二部分进行异或得到该次的同步计数器值；将其与前次的进行比较，如果比前次的刚好大1执行下一步，否则认为学习失败，不做任何操作，结束退出；学习成功，将新的序列号、同步计数器值、解密密钥写入以刷新可擦写存储器(EEPROM)，结束。
4.根据权利要求1所述的一种公钥跳码安全***及方法，其中所述的生成加密密钥的方式为：Cryptkey*DecryKey＝1(mod Fm)即：加密密钥和解密密钥在有限域相乘的积为1。
5.根据权利要求1所述的一种公钥跳码安全***及方法，其中所述的生成解密密钥的方式为：DecryKey＝SerialNumber*ManufactureID(mod Fm)即：解密密钥等于序列号和厂商的唯一标志在有限域相乘的积。
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TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20070810

Address after: 200032 7A room, No. 777, Lane 1, two South Road, Shanghai, Zhongshan

Applicant after: Jia Songren

Address before: 200032 7A room, No. 777, Lane 1, two South Road, Shanghai, Zhongshan

Applicant before: Changsanjiao Science-Technology Development Co., Ltd., Shanghai

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Kunshan trillion core technology Co., Ltd.

Assignor: Jia Songren

Contract record no.: 2012320010027

Denomination of invention: Public key code hopping safety system and method

Granted publication date: 20090211

License type: Exclusive License

Open date: 20060809

Record date: 20120306

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090211

Termination date: 20170203