【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ndKey)表示。計(jì)算方法是將狀態(tài)矩陣和輪密鑰進(jìn)行簡(jiǎn)單的位異或。輪密鑰長(zhǎng)度等于分組長(zhǎng)度Nb，使用的輪密鑰是通過密鑰擴(kuò)展算法,由種子密鑰所生成。 密鑰擴(kuò)展方案輪密鑰的生成是由密鑰擴(kuò)展和輪密鑰選擇兩部分構(gòu)成,其基本原則是：(1)輪密鑰的總位數(shù)等于分組長(zhǎng)度乘以(1+Nr),如分組長(zhǎng)為256bit,輪數(shù)10,則輪密鑰的總長(zhǎng)為256*(10+1)=2816bit。(2)種子密鑰擴(kuò)展為擴(kuò)展密鑰,種子密鑰長(zhǎng)度為4*Nk個(gè)字節(jié)。(3)輪密鑰由以下方法從擴(kuò)展密鑰中獲得:對(duì)第1輪密鑰由前Nb個(gè)字構(gòu)成。第2輪密鑰由第二個(gè)Nb個(gè)字即第Nb+l個(gè)字到第2Nb個(gè)字構(gòu)成。以下依次類推。密鑰的擴(kuò)展擴(kuò)展密鑰用數(shù)組w[Nb*(Nr+l)表示,前Nk個(gè)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(kuò)展函數(shù)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(yǔ)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(gè)返回4個(gè)字節(jié)的函數(shù),每個(gè)字節(jié)都是它輸入字中相應(yīng)位置字節(jié)通過S盒作用后的結(jié)果。而函數(shù)RotByte(w)返回的是這4個(gè)字節(jié)經(jīng)循環(huán)置換后的字,這個(gè)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(kuò)展密鑰的Nk個(gè)字由種子密鑰構(gòu)成,隨后的字w[i]等于w[i1]經(jīng)一些變換后得到的字temp和字w[iNk]異或而成。而且對(duì)位置為Nk倍數(shù)的字變換中不僅運(yùn)用了循環(huán)左移變換RotByte和子字節(jié)變換SubByte,還運(yùn)用了輪常數(shù)Rcon。對(duì)輪常數(shù),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(dāng)Nk6時(shí),用類C語(yǔ)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(duì)指數(shù)滿足i4是Nk的倍數(shù)的字,在異或之前對(duì)w[i1]進(jìn)行SubByte變換。輪密鑰的選擇由于在進(jìn)行密鑰加時(shí),密鑰長(zhǎng)必須與分組長(zhǎng)相等,因此第i輪的密鑰與分組長(zhǎng)度有關(guān),并且由擴(kuò)展密鑰的字w[Nb*i,w[Nb*i+l],…,w[Nb*(i+l)]構(gòu)成。=4,Nk=4時(shí)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(diǎn)在于占有的存儲(chǔ)空間不大,并且輪密鑰的計(jì)算只需要使用Nk個(gè)字節(jié)就可以了,不需要進(jìn)行預(yù)計(jì)算。第三章 設(shè)計(jì)概要 系統(tǒng)概要新型無(wú)線汽車電子牌照主要是一種新型的基于嵌入式技術(shù)的智能設(shè)備。主要是為了解決當(dāng)前汽車牌照功能單一，交通管理部門和車主對(duì)車輛的管理不方便，在車輛行駛過程中的識(shí)別不迅速，在交通管理中對(duì)車輛的統(tǒng)計(jì)不夠精確等問題。是一個(gè)實(shí)現(xiàn)智能化交通管理、智能動(dòng)態(tài)信息服務(wù)和車輛智能化控制的一體化系統(tǒng)。：數(shù)據(jù)庫(kù)管理端服務(wù)器智能交通燈系統(tǒng)智能無(wú)卡收費(fèi)交通局管理軟件終端服務(wù)器無(wú)線電子汽車牌照手機(jī)APP管理軟件。 系統(tǒng)框圖其中云系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，管理頁(yè)面、手機(jī)APP和無(wú)線電子車牌都會(huì)連接到云，通過與云系統(tǒng)的交互來(lái)執(zhí)行服務(wù)。在云端會(huì)有一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中保存著車牌登記、違章、年檢和保險(xiǎn)等所有的信息。新型無(wú)線電子車牌系統(tǒng)的特色功能主要有以下幾個(gè)： 車輛信息的數(shù)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(shè)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(gè)接入方法。（1） 網(wǎng)頁(yè)管理系統(tǒng)，通過網(wǎng)頁(yè)的方式管理整個(gè)車輛系統(tǒng)的所有信息，被設(shè)計(jì)用于部署在交通管理部門，具有很高的權(quán)限，可以查看和修改所有車輛的信息。（2） 手機(jī)APP管理，車主可以通過賬號(hào)和密碼登陸服務(wù)器，擁有受限制的權(quán)限，僅僅可以查看自己名下車牌的相關(guān)信息，不過對(duì)于諸如保險(xiǎn)、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(shí)現(xiàn)，不過未來(lái)可以通過加入藍(lán)牙、zigbee、NFC這樣的模塊，實(shí)現(xiàn)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(lái)便利。 無(wú)卡收費(fèi)功能 當(dāng)前的無(wú)法收費(fèi)功能都是基于ETC實(shí)現(xiàn)的，這樣的收費(fèi)功能主要有以下幾個(gè)缺點(diǎn)，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(gè)卡和牌照分離的系統(tǒng)，各自獨(dú)立，因此需要額外的設(shè)備。三是識(shí)別麻煩，無(wú)論如何還是不能沒有收費(fèi)站這樣的設(shè)施。然而基于新型無(wú)線電子車牌的位置信息，可以實(shí)現(xiàn)一種克服上述的無(wú)法收費(fèi)系統(tǒng)，識(shí)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?jīng)]有收費(fèi)站的存在就可以自動(dòng)識(shí)別和扣費(fèi)。 智能交通功能智能交通主要的實(shí)現(xiàn)是到路口紅綠燈時(shí)長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整功能。其核心是基于新型無(wú)線電子車牌的管理位置。車輛在行駛過程中，會(huì)實(shí)時(shí)上報(bào)自己的位置信息，各個(gè)車輛的位置信息，是整個(gè)智能電子車牌系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。當(dāng)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(lái)獲取該路段路況信息，進(jìn)而動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)包括交通燈在內(nèi)的各種交通指揮工具，以此來(lái)疏導(dǎo)各個(gè)路段的交通。 車輛防盜和追蹤功能 車牌會(huì)實(shí)時(shí)上傳車輛的位置信息，而其上傳的位置信息也會(huì)被服務(wù)器保留并繪制成軌跡，車主可以隨時(shí)通過手機(jī)APP查看自己的車輛當(dāng)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(duì)嫌疑車輛進(jìn)行定位，方便對(duì)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(shù)構(gòu)架有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。基于位置的車輛聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。電子車牌利用3/4G的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)刻和云端服務(wù)器保持連接，同時(shí)利用定位系統(tǒng)（GPS、BDS）實(shí)時(shí)獲取自己的位置信息，把位置信息上傳至云端服務(wù)器。通過對(duì)車輛位置信息的判斷，可以實(shí)現(xiàn)智能的交通管理?；谠频能囕v信息管理系統(tǒng)。對(duì)于云系統(tǒng)而言，電子車牌的牌照號(hào)就相當(dāng)于一個(gè)賬號(hào)，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(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。因此對(duì)于新型無(wú)線電子車牌的安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求也就明確，一個(gè)是對(duì)于車輛網(wǎng)情形下的牌照身份識(shí)別。即在基于位置的車聯(lián)網(wǎng)中能夠?qū)⑽恢脭?shù)據(jù)與車輛身份進(jìn)行綁定，防止車牌的套牌和偽造問題，防止出現(xiàn)車輛重復(fù)識(shí)別和車輛的信息偽造。只有這樣才能夠真實(shí)還原車輛位置信息的數(shù)據(jù)，有效的利用數(shù)據(jù)進(jìn)行智能交通系統(tǒng)的調(diào)整和管理。第二個(gè)就是在車輛信息管理，包括信息的傳輸和儲(chǔ)存的過程中，要保證信息的安全性，防止出現(xiàn)信息的泄露和信息被偽造篡改。因?yàn)檐噦z信息中包含著車輛歸屬、車輛身份、車輛的保險(xiǎn)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(duì)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(jī)制、技術(shù)和強(qiáng)度上都要做到抵擋各種已知的甚至未來(lái)數(shù)十年強(qiáng)度的攻擊。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析：數(shù)據(jù)緩存JSON模塊SHA模塊AES模塊加密儲(chǔ)存解密讀取明文數(shù)據(jù)解析協(xié)議添加摘要指紋AES加密AES解密檢驗(yàn)摘要指紋構(gòu)造協(xié)議通信模塊AT指令接收數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)緩存JSON模塊SHA模塊AES模塊通信模塊 數(shù)據(jù)流圖安全加密系統(tǒng)該系統(tǒng)的主要工作是對(duì)于加密和解密。即保護(hù)上文所提到的在各種信息在儲(chǔ)存和傳輸過程中的信息安全。安全加密系統(tǒng)對(duì)于所有數(shù)據(jù)在傳輸和儲(chǔ)存前都會(huì)進(jìn)行高強(qiáng)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(wú)法獲取其中的明文。這部分的加密主要使用的四個(gè)技術(shù)分別是SHA256散列函數(shù)、AES256高級(jí)加密算法、基于TCP/IP和Json的傳輸協(xié)議以及Flash片上安全儲(chǔ)存技術(shù)。主要流程是通過TCP/IP協(xié)議與與服務(wù)器建立連接，進(jìn)而再通過基于Json的自定義協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸前，對(duì)數(shù)據(jù)使用256bit的密鑰進(jìn)行AES加密，再對(duì)數(shù)據(jù)使用SHA256計(jì)算信息摘要，并附在數(shù)據(jù)上，這兩步可以保證數(shù)據(jù)傳輸中的安全，即如果攻擊者竊取了數(shù)據(jù)，沒有密鑰就無(wú)法獲取其中的信息，即使竊取了密鑰篡改了信息，也會(huì)因?yàn)楦淖兞薍ash值而無(wú)法通過校驗(yàn)，從而無(wú)法對(duì)系統(tǒng)造成影響。Flash片上安全儲(chǔ)存技術(shù)主要是利用芯片自帶的Flash來(lái)儲(chǔ)存一些數(shù)據(jù)，由于有硬件級(jí)的安全保護(hù)技術(shù)，外部攻擊者無(wú)法從Flash上獲取數(shù)據(jù)，因此這些儲(chǔ)存在Flash上的數(shù)據(jù)也是安全的。身份識(shí)別和授權(quán)系統(tǒng)該系統(tǒng)主要是解決電子車牌的身份和權(quán)限問題。要防止套牌和偽造牌照，最關(guān)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(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)制，來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)牌照對(duì)應(yīng)一個(gè)全球唯一不可重復(fù)的指紋，這個(gè)指紋就是電子牌照的身份證，指紋錯(cuò)誤的牌照無(wú)法登錄系統(tǒng)和進(jìn)行各種服務(wù)，并且會(huì)被系統(tǒng)和軟件識(shí)別并發(fā)出警報(bào)。同時(shí)只有身份識(shí)別正確的車牌，才會(huì)授予對(duì)數(shù)據(jù)讀取和寫入的權(quán)利，對(duì)隱私和敏感數(shù)據(jù)執(zhí)行各種操作。讀取UID和牌照信息驗(yàn)證登陸請(qǐng)求生成SESSION和回執(zhí)接收回執(zhí)并應(yīng)用KEY應(yīng)用KEY加密數(shù)據(jù)解密并校驗(yàn)數(shù)據(jù)。。 身份驗(yàn)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(hù)兩個(gè)技術(shù)。在頒發(fā)牌照的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將每一個(gè)電子車牌的UniqueID與車牌進(jìn)行綁定并錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，除非掛失解除綁定或者更改綁定，否則一個(gè)車牌只能有一個(gè)指定的設(shè)備。這樣套牌和偽造牌照的設(shè)備將無(wú)法運(yùn)作，其次，這些唯一信息經(jīng)過特定編碼，儲(chǔ)存在芯片中，信息被芯片保護(hù)起來(lái)無(wú)法被外部攻擊者讀取，因此也無(wú)法被偽造。第四章 硬件設(shè)計(jì)在需求分析完成之后，接著就是硬件設(shè)計(jì)，后續(xù)的工作都建立在此基礎(chǔ)之上。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是為了定位和無(wú)線通信的需求而考慮。，硬件設(shè)計(jì)根據(jù)需求分析的結(jié)果進(jìn)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(shè)計(jì)。其中，首先進(jìn)行且尤為重要的是主控制芯片的選擇。硬件設(shè)計(jì)具體包括：主控器及其最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、全球定位模塊的設(shè)計(jì)、3G無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)。MCU全球定位模塊3G無(wú)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(nèi)核, DhrystoneMIPS/MHz。該系列提供硬件加密，支持多個(gè)算法，可以以最小的 CPU 負(fù)載提供快速、安全的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)。其中系統(tǒng)安全模塊包括安全密鑰存儲(chǔ)和硬件篡改檢測(cè)。該款單片硬件資源豐富，系統(tǒng)性能強(qiáng)大，包括128k RAM和512K的Flash，論文所設(shè)計(jì)的 K60 最小系統(tǒng)板具有 100M標(biāo)準(zhǔn)主頻，能夠使整個(gè)電子車牌系統(tǒng)性能充足、運(yùn)行穩(wěn)定。同時(shí) K60 單片機(jī)還具有低功耗的特點(diǎn)，可以在不工作或者輕負(fù)荷的情況下降低系統(tǒng)功耗節(jié)約電量。 結(jié)構(gòu)框圖，K60含有的功能模塊包括：串行通信UART、GPIO、定時(shí)器、A/D、D/A、CMP、TSI、SPI、I2C、I2S、CAN、USB、SDHC以及存儲(chǔ)模塊。不同單片機(jī)的相同功能模塊用法是基本一樣的，因此，這里的UART、GPIO、定時(shí)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(fù)位電路、晶振電路和 I/O 端口等組成。最小系統(tǒng)是單片機(jī)工作的必要條件，且形成最小系統(tǒng)后不會(huì)再改變。 主控芯片通過串口與上位機(jī)、定位模塊、無(wú)線通信模塊進(jìn)行通信，所有的數(shù)據(jù)處理都在主控芯片的內(nèi)部進(jìn)行處理，對(duì)flash和ram的數(shù)據(jù)處理也都在內(nèi)部，杜絕數(shù)據(jù)放在芯片外部的所要面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)。（1）核心板的供電電路 ，電源是USB接口的標(biāo)準(zhǔn)電壓5V。 電源設(shè)計(jì)圖（2）JTAG下載接口 K60芯片使用的是ARM CortexM4內(nèi)核，這種內(nèi)核內(nèi)部集成JTAG接口，可以方便的在線編程和在線調(diào)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(fù)位引腳。 JTAG電路設(shè)計(jì) 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(shí)支持BD2和 GPS L1 兩個(gè)頻點(diǎn)。 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(yīng)用領(lǐng)域。