【文章內容簡介】 ndKey)表示。計算方法是將狀態(tài)矩陣和輪密鑰進行簡單的位異或。輪密鑰長度等于分組長度Nb，使用的輪密鑰是通過密鑰擴展算法,由種子密鑰所生成。 密鑰擴展方案輪密鑰的生成是由密鑰擴展和輪密鑰選擇兩部分構成,其基本原則是：(1)輪密鑰的總位數等于分組長度乘以(1+Nr),如分組長為256bit,輪數10,則輪密鑰的總長為256*(10+1)=2816bit。(2)種子密鑰擴展為擴展密鑰,種子密鑰長度為4*Nk個字節(jié)。(3)輪密鑰由以下方法從擴展密鑰中獲得:對第1輪密鑰由前Nb個字構成。第2輪密鑰由第二個Nb個字即第Nb+l個字到第2Nb個字構成。以下依次類推。密鑰的擴展擴展密鑰用數組w[Nb*(Nr+l)表示,前Nk個字是種子密鑰,其它的密鑰字通過遞歸定義生成。由于密鑰擴展函數取決于Nk的值,因此下面介紹中分為Nk≤6和Nk6兩種情況。若Nk≤6,用類C語言描述如下:KeyExpansion(byte Key[4*Nk], word w[Nb*(Nr+l)]){ for(i=0。iNk。i++) w[i]==(key[4*i],key[4*i+l],key[4*i+2],key[4*i+3])。 for(i=Nk。iNb*(Nr+l)。i++) { temp=w[i1]。 if(i%Nk==0) temp=SubByte(RotByte(temp))^Reon[i/Nk]。 w[i]==w[iNk]^temp。 }}SubByte(w)是一個返回4個字節(jié)的函數,每個字節(jié)都是它輸入字中相應位置字節(jié)通過S盒作用后的結果。而函數RotByte(w)返回的是這4個字節(jié)經循環(huán)置換后的字,這個循環(huán)置換為:若輸入字為(a,b,c,d),則輸出字(b,c,d,a)?？梢钥闯?擴展密鑰的Nk個字由種子密鑰構成,隨后的字w[i]等于w[i1]經一些變換后得到的字temp和字w[iNk]異或而成。而且對位置為Nk倍數的字變換中不僅運用了循環(huán)左移變換RotByte和子字節(jié)變換SubByte,還運用了輪常數Rcon。對輪常數,我們定義為: Rcon[i]==(Rc[i],39。0039。,39。0039。,39。0039。)。而Re[i]表示在有限域GF(28)中xi1的值,即: Rc[1]=l(即39。0139。)。 Rc[i]=x(即39。0239。)(Rc[i1])= xi1當Nk6時,用類C語言描述為:KeyExpnasionb(byte Key[4*Nk] word w[Nb *(Nr+l)]){ for(i=0。iNk。i++) w[1]=(key[4*i],key[4*i+l],key[4*i+2],key[4*i+3]): for(i=Nk。1Nb*Nr+l。i++) { temp=w[il]。 if(i%Nk==0) temp=SubByte(RotByte(temp))^Rcon[i/Nk]。 else if(i%Nk==4) temp=SubByte(temp)。 w[i]=w[iNk]^temp: }} 這與Nk≤6的區(qū)別在于對指數滿足i4是Nk的倍數的字,在異或之前對w[i1]進行SubByte變換。輪密鑰的選擇由于在進行密鑰加時,密鑰長必須與分組長相等,因此第i輪的密鑰與分組長度有關,并且由擴展密鑰的字w[Nb*i,w[Nb*i+l],…,w[Nb*(i+l)]構成。=4,Nk=4時的輪密鑰選擇情況。 輪密鑰選擇W0W1W2W3W4W5W6W7W8W9W10W11…輪密鑰0輪密鑰1輪密鑰2…這種算法的優(yōu)點在于占有的存儲空間不大,并且輪密鑰的計算只需要使用Nk個字節(jié)就可以了,不需要進行預計算。第三章 設計概要 系統(tǒng)概要新型無線汽車電子牌照主要是一種新型的基于嵌入式技術的智能設備。主要是為了解決當前汽車牌照功能單一，交通管理部門和車主對車輛的管理不方便，在車輛行駛過程中的識別不迅速，在交通管理中對車輛的統(tǒng)計不夠精確等問題。是一個實現智能化交通管理、智能動態(tài)信息服務和車輛智能化控制的一體化系統(tǒng)。：數據庫管理端服務器智能交通燈系統(tǒng)智能無卡收費交通局管理軟件終端服務器無線電子汽車牌照手機APP管理軟件。 系統(tǒng)框圖其中云系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的核心，管理頁面、手機APP和無線電子車牌都會連接到云，通過與云系統(tǒng)的交互來執(zhí)行服務。在云端會有一個龐大的數據庫，其中保存著車牌登記、違章、年檢和保險等所有的信息。新型無線電子車牌系統(tǒng)的特色功能主要有以下幾個： 車輛信息的數字化管理由于所有的車輛信息都保存在云端，因此從任何位置和設備都可以很方便的獲取這些信息，極大地便利車輛信息的管理。演示系統(tǒng)目前提供了三個接入方法。（1） 網頁管理系統(tǒng)，通過網頁的方式管理整個車輛系統(tǒng)的所有信息，被設計用于部署在交通管理部門，具有很高的權限，可以查看和修改所有車輛的信息。（2） 手機APP管理，車主可以通過賬號和密碼登陸服務器，擁有受限制的權限，僅僅可以查看自己名下車牌的相關信息，不過對于諸如保險、違章、車輛位置等信息，依然可以非常方便的處理，省去了車主往返交通管理部門的麻煩，真正做到“掌”控自己的車。（3） 車輛信息近距離讀取。該功能暫未實現，不過未來可以通過加入藍牙、zigbee、NFC這樣的模塊，實現車輛信息的近距離讀取功能，這樣在交警執(zhí)勤等情形下可以做到快速獲取車牌信息，為執(zhí)法帶來便利。 無卡收費功能 當前的無法收費功能都是基于ETC實現的，這樣的收費功能主要有以下幾個缺點，一是通過的速度受到限制，基本要在10km/h的速度下才能夠保證通信。二是ETC成本過高，是一個卡和牌照分離的系統(tǒng)，各自獨立，因此需要額外的設備。三是識別麻煩，無論如何還是不能沒有收費站這樣的設施。然而基于新型無線電子車牌的位置信息，可以實現一種克服上述的無法收費系統(tǒng)，識別沒有速度限制，賬戶與牌照綁定方便管理，而且可以真正做到沒有收費站的存在就可以自動識別和扣費。 智能交通功能智能交通主要的實現是到路口紅綠燈時長的動態(tài)調整功能。其核心是基于新型無線電子車牌的管理位置。車輛在行駛過程中，會實時上報自己的位置信息，各個車輛的位置信息，是整個智能電子車牌系統(tǒng)的關鍵所在。當車輛把自己的匯總到云端，云端就可以通過分析特定區(qū)域的車輛狀況來獲取該路段路況信息，進而動態(tài)的調節(jié)包括交通燈在內的各種交通指揮工具，以此來疏導各個路段的交通。 車輛防盜和追蹤功能 車牌會實時上傳車輛的位置信息，而其上傳的位置信息也會被服務器保留并繪制成軌跡，車主可以隨時通過手機APP查看自己的車輛當前位置和歷史軌跡，管理的自己的車輛。通過在公安系統(tǒng)中還可以利用車牌對嫌疑車輛進行定位，方便對違法犯罪分子的追捕。 系統(tǒng)需求分析新型汽車電子車牌整體技術構架有兩個關鍵點。基于位置的車輛聯網技術。電子車牌利用3/4G的通信網絡時刻和云端服務器保持連接，同時利用定位系統(tǒng)（GPS、BDS）實時獲取自己的位置信息，把位置信息上傳至云端服務器。通過對車輛位置信息的判斷，可以實現智能的交通管理。基于云的車輛信息管理系統(tǒng)。對于云系統(tǒng)而言，電子車牌的牌照號就相當于一個賬號，其下的所有信息包括牌照、車輛信息、車主信息、年檢、違章記錄等所有的信息都實現數字化、網絡化。因此對于新型無線電子車牌的安全系統(tǒng)的設計需求也就明確，一個是對于車輛網情形下的牌照身份識別。即在基于位置的車聯網中能夠將位置數據與車輛身份進行綁定，防止車牌的套牌和偽造問題，防止出現車輛重復識別和車輛的信息偽造。只有這樣才能夠真實還原車輛位置信息的數據，有效的利用數據進行智能交通系統(tǒng)的調整和管理。第二個就是在車輛信息管理，包括信息的傳輸和儲存的過程中，要保證信息的安全性，防止出現信息的泄露和信息被偽造篡改。因為車倆信息中包含著車輛歸屬、車輛身份、車輛的保險等重要的信息，一旦被不法分子獲取將極大的危害交通系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，故對于安全系統(tǒng)的可靠性有很高的要求，要求安全系統(tǒng)從機制、技術和強度上都要做到抵擋各種已知的甚至未來數十年強度的攻擊。 系統(tǒng)設計分析：數據緩存JSON模塊SHA模塊AES模塊加密儲存解密讀取明文數據解析協(xié)議添加摘要指紋AES加密AES解密檢驗摘要指紋構造協(xié)議通信模塊AT指令接收數據發(fā)送數據緩存JSON模塊SHA模塊AES模塊通信模塊 數據流圖安全加密系統(tǒng)該系統(tǒng)的主要工作是對于加密和解密。即保護上文所提到的在各種信息在儲存和傳輸過程中的信息安全。安全加密系統(tǒng)對于所有數據在傳輸和儲存前都會進行高強度的加密，加密后的密文具有極高的安全性，即使信息被截獲或者意外泄露，只要沒有獲取指定的密鑰，依然無法獲取其中的明文。這部分的加密主要使用的四個技術分別是SHA256散列函數、AES256高級加密算法、基于TCP/IP和Json的傳輸協(xié)議以及Flash片上安全儲存技術。主要流程是通過TCP/IP協(xié)議與與服務器建立連接，進而再通過基于Json的自定義協(xié)議與服務器進行數據傳輸。在數據傳輸前，對數據使用256bit的密鑰進行AES加密，再對數據使用SHA256計算信息摘要，并附在數據上，這兩步可以保證數據傳輸中的安全，即如果攻擊者竊取了數據，沒有密鑰就無法獲取其中的信息，即使竊取了密鑰篡改了信息，也會因為改變了Hash值而無法通過校驗，從而無法對系統(tǒng)造成影響。Flash片上安全儲存技術主要是利用芯片自帶的Flash來儲存一些數據，由于有硬件級的安全保護技術，外部攻擊者無法從Flash上獲取數據，因此這些儲存在Flash上的數據也是安全的。身份識別和授權系統(tǒng)該系統(tǒng)主要是解決電子車牌的身份和權限問題。要防止套牌和偽造牌照，最關鍵的地方在于牌照唯一性的和牌照身份的鑒別。因此系統(tǒng)需要設計一個機制，來實現每個牌照對應一個全球唯一不可重復的指紋，這個指紋就是電子牌照的身份證，指紋錯誤的牌照無法登錄系統(tǒng)和進行各種服務，并且會被系統(tǒng)和軟件識別并發(fā)出警報。同時只有身份識別正確的車牌，才會授予對數據讀取和寫入的權利，對隱私和敏感數據執(zhí)行各種操作。讀取UID和牌照信息驗證登陸請求生成SESSION和回執(zhí)接收回執(zhí)并應用KEY應用KEY加密數據解密并校驗數據。。 身份驗證流程圖該系統(tǒng)主要使用了UniqueID唯一身份碼和基于硬件的芯片讀取保護兩個技術。在頒發(fā)牌照的時候，系統(tǒng)會自動將每一個電子車牌的UniqueID與車牌進行綁定并錄入數據庫，除非掛失解除綁定或者更改綁定，否則一個車牌只能有一個指定的設備。這樣套牌和偽造牌照的設備將無法運作，其次，這些唯一信息經過特定編碼，儲存在芯片中，信息被芯片保護起來無法被外部攻擊者讀取，因此也無法被偽造。第四章 硬件設計在需求分析完成之后，接著就是硬件設計，后續(xù)的工作都建立在此基礎之上。本系統(tǒng)的硬件設計主要是為了定位和無線通信的需求而考慮。，硬件設計根據需求分析的結果進行元器件的選擇，芯片引腳的合理安排，各模塊外圍電路的設計。其中，首先進行且尤為重要的是主控制芯片的選擇。硬件設計具體包括：主控器及其最小系統(tǒng)的設計、全球定位模塊的設計、3G無線通信模塊的設計。MCU全球定位模塊3G無線通信模塊 主控芯片 論文所選用的控制芯片為 FREESCALE 公司的 MK60DZ512ZVLQ10系列，,采用ARM CortexM4內核, DhrystoneMIPS/MHz。該系列提供硬件加密，支持多個算法，可以以最小的 CPU 負載提供快速、安全的數據傳輸和存儲。其中系統(tǒng)安全模塊包括安全密鑰存儲和硬件篡改檢測。該款單片硬件資源豐富，系統(tǒng)性能強大，包括128k RAM和512K的Flash，論文所設計的 K60 最小系統(tǒng)板具有 100M標準主頻，能夠使整個電子車牌系統(tǒng)性能充足、運行穩(wěn)定。同時 K60 單片機還具有低功耗的特點，可以在不工作或者輕負荷的情況下降低系統(tǒng)功耗節(jié)約電量。 結構框圖，K60含有的功能模塊包括：串行通信UART、GPIO、定時器、A/D、D/A、CMP、TSI、SPI、I2C、I2S、CAN、USB、SDHC以及存儲模塊。不同單片機的相同功能模塊用法是基本一樣的，因此，這里的UART、GPIO、定時器、A/D、SPI、CAN與XS128的功能模塊用法是一樣的，CMP與XS128的PWM模塊功能類似，都可以輸出PWM波形。 K60 最小系統(tǒng)包含 供電、復位電路、晶振電路和 I/O 端口等組成。最小系統(tǒng)是單片機工作的必要條件，且形成最小系統(tǒng)后不會再改變。 主控芯片通過串口與上位機、定位模塊、無線通信模塊進行通信，所有的數據處理都在主控芯片的內部進行處理，對flash和ram的數據處理也都在內部，杜絕數據放在芯片外部的所要面臨的安全風險。（1）核心板的供電電路 ，電源是USB接口的標準電壓5V。 電源設計圖（2）JTAG下載接口 K60芯片使用的是ARM CortexM4內核，這種內核內部集成JTAG接口，可以方便的在線編程和在線調試。JTAG接口電路如下圖44所示。TCLK、TMS、TDI、TDO分別于芯片的3至7連接，RESET引腳與8接口相連，而8則連著芯片復位引腳。 JTAG電路設計 北斗/GPS定位模塊 和芯星通 UM220III 雙系統(tǒng)高性能 GNSS 模塊， 是一款雙系統(tǒng)、多頻率、高性能的SoC 芯片 ，能夠同時支持BD2和 GPS L1 兩個頻點。 UM220III 外形尺寸非常緊湊，使用了SMT 焊盤，適用于低成本、低功耗的應用領域。