基于KEELOQ跳码技术的密码发生器设计

引 言
    基于密码的访问控制系统应用在当今是非常普遍的，但人们对其提供的安全等级经常估计过高。通信传输速度和系统计算能力的提高使得系统受到恶意攻击或“密码扫描”的风险增加。在使用不安全的传送方式时，可能发生密码被盗取的现象。例如典型的通过电话线的调制解调器连接，这种使用固定密码的方法很不理想。
    跳码技术是通过一个序列使访问密码在每次使用时改变。这样，即使知道大量先前使用的密码，也不能对新的密码进行预测。产生这样一个序列需要使用可靠的加密引擎。Microchip公司提供多种基于KEEL0Q跳码技术的编码器，这些编码器使得产生跳码远程控制更为方便。
    本文采用Microchip公司的单片机PICl2C508和HSC300编码器设计了一个密码发生器，安装于键盘和PC之间。一个5引脚插头连接到PC，并向器件供电，而键盘插头则插入5引脚插座。PC和键盘之间由时钟线和数据线连接，允许键盘进行正常的操作。当传送信息至互联网时，这个密码发生器为通用访问控制安全登录创建一个“超级密码”。

1 密码发生器构成与工作原理
1．1 键盘数据接收和发送
    目前使用的标准5孔屏蔽式连接器如图1所示。其中包括时钟线、数据线、地线和+5 V电源线，可以实现键盘和PC之间的双向数据传输。

    通常，从键盘至PC的数据发送是通过按键或键释放完成的。然而，某些配置数据(即重复、延迟和速率)可能反向传递。例如，在系统引导过程中，键盘使用集电极开路驱动器对时钟线进行驱动。PC可通过保持时钟线为低电平来禁止键盘。如果PC将数据线保持为低电平而此时时钟线为高电平，那么计算机发送请求发送信号，键盘进入接收模式。只有当时钟线和数据线同时处于高电平时，键盘才被允许发送数据。
1．2 密码发生器硬件构成
    密码发生器硬件原理图如图2所示。

    当SO被激活时，PICl2C508接收HCS300编码器产生的新信息。PICl2c508随后将模仿键盘发送出正确序列的按键和释键信息至PC。为防止键盘将此发送解读为来自PC的“请求发送”，在发送期间将键盘与时钟线和数据线隔离。为了简化电路，采用一个标准的4路双向CMOS开关4066来切换密码发生器，或键盘与PC线的连接。
    HCS300编码器设计为，可以是密码发生器的一部分，也可以像一把钥匙一样可移除的，从而允许方便地替换为具有不同加密密钥或序列号的不同编码器。HCS300和PICl2C508都采用8引脚SOIC封装形式，消耗电流极低，并且都能在内部产生用于操作密码发生器的时钟，功耗尽量低，以使传输线不会出现过载。另外，尺寸尽可能小、元件数尽可能少，从而尽可能采用较小的封装。理想的情况是将整个电路安置在2个连接器之间较小的间隙中。除一对用于时钟线和数据线上拉的电阻之外，无需其他元件即可实现全功能的跳码密码。
1．3 软件设计
    软件由3个代码段组成：
    ◆用于HCS300编码器的接收子程序。
    ◆键盘仿真子程序。
    ◆主循环程序。
    用于HCS300编码器的接收子程序(RECEIVE子程序)收集H(2S300发送的最初64个数据位，并将其填充至一个8字节的缓冲器。其中最后两个数据位将被忽略，因为它们不具有对本应用有用的信息。
    键盘仿真子程序根据IBM—PC／AT键盘协议实现键扫描码的发送。
    当CMOS开关将PC连接至键盘时钟线和数据线时，主循环程序将对LED输出线进行连续采样，以检测HCS300是否被激活。
    当LED线变为低电平时，CMOS开关被激活以使时钟线和数据线与键盘隔离，RECEIVE子程序将被调用。软件采用最简化的形式开发，可对其采取一些优化措施。例如：可使PIC12C508进入“休眠”状态，以进一步减小功耗。编码器可能被移除，因此应对编码器的接入／激活进行正确检测。由于没有解密过程，因此没有其他方法可获知发送操作是否已失败，只能将第二个密码字与接收到的第一个密码字进行对比，以确认是否出现发送错误。

2 加密原理
    编码器HCS300使用KEELOQ跳码技术，使编码器每次发送的数据都是独一无二的。编码器发送包括两部分：第一部分称为“跳码部分”，在编码器每次被激活时发生改变且被加密；第二部分是发送数据的非加密部分，主要包括编码器序列号，解码器通过该序列号对其进行识别。密码字的组成如下：

    跳码包括功能信息、识别值和一个同步计数器。在发送这一信息之前需通过加密算法对其进行加密。加密算法使用64位加密密钥。如果加密数据中的一位发生改变，则将导致输出数据中平均有一半的位发生改变。这样，每次发送时跳码将彻底改变，因而无法对其进行预测。解码器使用同步信息来确定发送是有效的还是前一次发送的重复，前一次密码将被拒绝以防止密码被盗取。HSC300编码器发送2个溢出位，用来将同步计数器值的范围从65 536扩展到196 608次按钮操作。HCS300编码器发送数据的固定码部分包括4位功能信息和2个状态位。这2个状态位表明是否进行了重复发送，以及电池电压是否过低。HCS300编码器具有发送固定种子的能力，种子值连同计数器值、密钥、序列号和其他信息一起，在编码器首次初始化时通过编程写入编码器。HCS30C具有32位的种子。
    接收应用程序(服务器上运行的软件)执行一些简单的解码和校验步骤，跳码密码可用来对大量电子服务的访问进行验证。密码中固定的未加密部分可用来识别用户和编码器中激活的功能。

结 语
    本文设计的密码发生器采用基于KEELOQ的跳码密码技术，体积小、功耗低，特别适用于当传送信息至互联网时为通用访问控制安全登录创建一个“超级密码”。实践证明，这种方式的加密方法非常可靠。