admin 随着全球汽车保有量的不断增长，汽车防盗日益成为人们所关注的焦点。采用了身份认证技术的发动机防盗系统是一种新型的汽车防盗系统，使发动机不能通过跨接导线来启动，实现了直接针对发动机的防盗，极大提高了汽车防盗性能。密码验证是实现身份认证技术的最常用方案。AES加密算法是新一代的数据加密标准，属于对称加密算法，运算迅速而又对硬件配置要求低，非常适合发动机防盗系统身份认证的加密运算。
一、AES加密算法理论基础
AES（AdvancedEncryptionStandard）美国高级数据加密标准，是新一代的分组数据加密标准。它采用了Rijndael算法，这是一个数据块长度和密钥长度都可变的迭代分组加密算法，分组长度为128-bit，数据块长度和密钥长度可分别为128-bit、192-bit、256-bit，可根据加密强度要求进行选择。AES所有的运算都在一个4bytes×4bytes的状态矩阵上进行，因此在加密前要对数据块做预处理。首先把数据块写成字的形式，再把字记为列的形式，如表1所示：
其中，每个ai，j表示一个8-bit的字节，每列就是一个字aj=(a0，j，a1，j，a2，j，a3，j)。我们用Nb表示一个数据块中字的个数，那么Nb=4、6或8。类似地，用Nk表示密钥中字的个数，那么Nk=4、
6或8，而算法轮数Nr则相应为10、12或14轮。以128-bit密钥长度为例，其加解密过程如图1所示：
其中，“+”表示状态矩阵与密钥进行字节异或运算。
字节代换采用非线性的S-盒变换。算法预先定义一个S-盒（一个16bytes×16bytes矩阵），再用查表的方法进行计算。
例如：要对状态矩阵中“0x12”这个字节加密，则在S-盒中找到第1行第2列的字节“0x57”，那么“0x57”就是“0x12”的代换字节。行移变换是将状态矩阵的每一行进行移位，移位量随行的不同而不同。第0行不移动，第1行循环左移C1个字节，第2行循环左移C2个字节，第3行循环左移C3个字节。位移量C1、C2、C3的取值与Nb有关，如表2所示：
列混合是在状态矩阵内每一列进行如下变换：
AES加密算法的可变分组长度和可变密钥长度，使其对ROM和RAM的要求低，快速密钥设置和运算设置更易于抵抗攻击，同时能够比较好的支持结构化平行设计。因此，AES加密算法汇聚了强安全性、高性能、高效率、对硬件配置要求低等优点，能够满足发动机防盗系统认证时间短、硬件配置经济可靠的要求，适合用作发动机防盗系统中身份认证的加密算法。
二、发动机防盗系统的身份认证技术
1、双重身份认证方案
发动机防盗系统主要由转发器、收发线圈和电子防盗器3大部分构成。转发器（Transponder）是一个集成在汽车钥匙手柄上的RFID芯片，以无线射频的方式通过收发线圈与电子防盗器进行通讯。电子防盗器（Immobilizer）一方面与转发器一起完成转发器身份认证，另一方面也通过K-Line总线完成ECU的身份认证。
可见，发动机防盗系统采用的是双重身份认证——转发器身份认证和ECU身份认证。转发器身份认证采用的是无线射频密码防盗，是第一重认证；ECU身份认证是通过K-Line总线完成的密码防盗，是第二重认证。只有当第一重认证通过后，发动机防盗系统才开始进行第二重认证，如果第二重认证也通过了，那么系统就通知ECU可以起动发动机了。否则，如果有任何一重认证没有通过，系统都会通知ECU不能起动发动机，从而实现了发动机的直接防盗。
2、身份认证过程
在对发动机防盗系统进行匹配时，首先要在转发器中存储转发器的标识码Transp_ID、密钥SK2，在电子防盗器中存储ECU的标识码ECU_ID、Transp_ID、密钥SK1、SK2，在ECU中存储ECU_ID和SK1。当汽车钥匙旋至车锁的Start时，ECU发出请求信号来唤醒电子防盗器，同时根据钥匙打到Start的次数生成一组随机数RN，ECU一方面将RN发送给电子防盗器，一方面将ECU_ID、RN和SK2进行加密运算，得到密文SC1。被唤醒的电子防盗器使与它连接的收发线圈产生电磁场，激活了集成在钥匙手柄中的转发器。转发器将Transp_ID发送给电子防盗器，电子防盗器也将收到的RN转发给转发器。双方接收到信息后，转发器将Transp_ID、RN和SK1进行加密运算，生成密文SC2；电子防盗器先将接收到的Transp_ID与其内部预存储的量相比较，如果一致也开始加密运算，得到密文SC3。对于密文SC2和SC3，电子防盗器要进行ECU身份的认证。在进行ECU身份认证时，电子防盗器先将内部存储的ECU_ID和SK2，以及来自ECU的RN进行加密得到密文SC4，然后再将SC4发送给ECU，在ECU中进行密文SC1与SC4的比较运算。如果SC1与SC4是一致的，那么就通过了ECU的身份认证，ECU发出指令起动发动机。否则，如果转发器身份认证和ECU身份认证有一项没有通过，ECU都不会起动发动机，实现发动机的防盗功能。
由于汽车钥匙打到Start的次数不断累加，ECU每次产生的随机数RN都是不同的，因而系统每次进行身份认证的密文SC1、SC2也是不同的。另外，获得密文SC1、SC2、SC3的加密运算几乎是同一时间分别在ECU、转发器和电子防盗器中同时进行的，因此大大节省了认证时间。由此可见，同以往的售后防盗及报警系统相比，发动机防盗系统保密性强，不产生声、光等污染，不会误动作，用户不需额外操作，正常使用过程中几乎感觉不到系统的存在，在极大提高汽车安全性的同时保证了汽车舒适性。
三、AES加密算法测试实验
1、加密实验步骤
在满足车辆防盗要求的同时，发动机防盗系统还应具备足够短的身份认证时间，从而使驾驶员在起动车辆时感觉不到发动机防盗系统的存在，保证汽车的舒适性。因此，采用AES加密算法时可以选取128-bit的数据块长度和密钥长度，在保证车辆安全性的同时，满足了整车的舒适性。
以ECU身份认证为例，发动机防盗系统的AES加密应用主要经过如下几个具体步骤：
（1）将128-bit初始密钥扩展为一个以“字”为单位的数组ExpandKey|44|；
（2）电子防盗器将ECU_ID和随机数RN构成的128-bit明文数据写入到状态矩阵State|4||4|中；
（3）在ExpandKey[44]中取前4个字为子密钥0，接下来的4个字为子密钥1，依次类推。每一轮选取的子密钥都装入数组RoundKey|4|中；
（4）State|4||4|与子密钥0进行异或运算AddRoundKey()，其结果重新装入State|4||4|中；
（5）将State|4||4|依次进行字节代换SubByte()、行移变换ShiftRow()和列混合MixColumn()操作，其结果仍然存入State|4||4|中；
（6）用下一轮子密钥与State|4||4|进行异或运算AddRoundKey()，并重复第5步,直到第10轮加密操作。在第10轮加密操作中，不需要进行列混合运算MixColumn()；
（7）经过上述加密后的State|4||4|就是4bytes×4bytes的密文矩阵。
2、测试程序与实验结果
以Windows2000为平台，采用MicroSoftVC++为开发工具，设计AES加密算法应用于发动机防盗系统时的实验程序。在该实验程序中，在每一轮加密的最后输出状态数据State|4||4|，以便观察加密过程。该实验程序的主要代码描述如下：
设计随机测试数据如下：
（1）ECU_ID与RN构成的明文数据块为：
（2）初始密钥为：
则经过密钥扩展及上述AES加密实验程序，每一轮的输出为：
由此可见，实验程序得到了良好的加密结果，因而能够获得高级别的汽车安全性。同时，该实验用时非常之少，使驾驶员感受不到防盗系统的存在，满足了汽车人性化设计的要求。
身份认证能够增强发动机防盗系统的安全性，使其成功防盗概率达90%以上。在欧洲和美国，采用身份认证技术的发动机防盗系统已被列入汽车保险的必选件，它在汽车安全性方面的重要性，也由此可见一斑。
采用合适的加密算法来实现ECU、电子防盗器和汽车钥匙（指与之集成为一体的转发器）三者间的身份认证，则是整个防盗系统实现安全、快速、高效发动机防盗功能的核心与关键。AES加密算法针对二进制数进行加解密操作，具有很高的安全性能，已成为21世纪保护重要信息的高级算法。
小知识之发动机防盗系统
发动机防盗系统是针对发动机安装了一套防盗系统，因此即使盗车贼能打开车门也无法开走轿车。典型的发动机防盗系统是这样工作的：汽车点火钥匙中内装有电子芯片，每个芯片内都装有固定的ID(相当于身份识别号码)，只有钥匙芯片的ID与发动机一侧的ID一致时，汽车才能启动。相反，如果不一致，汽车就会马上自动切断电路，使发动机无法启动。
