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出租汽车计价器加密传感器设计

  摘要: 文章对出租汽车计价器加密传感器的加密原理、几种入侵方式进行分析。
  Abstract: This paper analyzes the encryption principle and several invasion methods of taxi meter encrypted sensor.
  关键词: 出租车;加密传感器;计价器
  Key words: taxi;encryption sensor;meter
  中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2014)03-0186-02
  0 引言
  为防止出租车可能的由传感器及信号传输过程中被加入额外的脉冲信号(作弊行为),因此需要将速度脉冲信号加密后再传输。
  出租车编码传感器使用内置于传感器中的微控制器加密传感器的脉冲信号脉冲。微控制器接收到脉冲信号后,用软件方式产生数字编码信号。数字编码信号再通过计价器内的软件解码,解出脉冲信号。软件方式的编码和解码可以用数字信号消除传输线路中的干扰脉冲,还可以消除脉冲信号因环境变化引起的宽度偏移。
  微控制器编码时,以脉冲宽度的不同代表不同的二值信号,低电平脉冲为有效的码值信号,信号位前面加上一个宽的低电平脉冲作为起始位。
  1 编码信号示意图举例
  编码方式为典型值。计价器通过软件解码,与计价器内设定加密传感器编码值比较。比较结果相符,则认为传感器产生一个脉冲信号。
  x0:为计价发出的随机数(明文)。
  y:为函数发生器。该值永不外泄。
  x0,Y的宽度和发送频率要充分考虑到高速运行下通讯的稳定性而定的。
  极端情况:K值=1000 时速130公里/小时 ,当K值=1000,时速130公里/小时 脉冲的周期=2.769ms 【(360秒×1000)ms /(130×K)个脉冲】。
  即t(数据处理时间+发送Y+发送更新x0)要满足条件 t<2.769ms。
  从示意图可以看出发送一个里程数据脉冲的周期为:
  (frame to frame interval)+(Start bit)+(Time bit0+Recover time) × w(位宽)。
  计价器向传感器发送x0(明文)。计价器和传感器的生成一个x1为本次运算密钥。传感器通过加密运算后后输出密文Y,计价器接受到密文Y后通过相同的算法和本次运算密钥进行运算后比对正确后计入脉冲。目前我们的明文为单字节的随机数,密文也是单字节。但是你在获得明文和并伪造单字节的密文想通过计价器的认证的概率,1/256的(n+1)次方n为连续骗过计价器的次数。想通过仿照传感器发出每次相同的密文的概率至少为1/2591645234048640。
  上传里程脉冲:当传感器感知到一个里程脉冲时按函数Y=f(x0,y)计算出Y发送到计价器。
  计价器反馈一个新的x0。
  计价器解码: 计价器比较Y是否与f(x0,y)相等,从而确定是否有效。如果连续无效次数越过所设定的容忍度,计价器将启动保护程序。
  2 分析(在假设计价器是真的前提下)
  2.1 穷举窥视
  因为x0是随机数,无周期、规律可言。从Y=f(x0,y)可以看出即使x0相同,Y也是不同的。
  设:x0的宽度为n
  x1的宽度为m
  y=f(x0,x1)
  y的个数= 2的n次方 × 2的m次方。
  例: n=8 m=24 y的个数=4294967296 Y的个数=256*4294967296=1099511627776=0x10000000000=88bit,传送的密文Y为8bit 那么根据排列组合的运算方式,每一次传8bit数据要成功在88位中能匹配的概率为1/P(88,8)=1/88×87×86×85×84×83×82×81=1/2591645234048640。当然,当Y=16那么概率就是1/P(88,16)更低,但是已经没有意义了,相反导致传感器数据传递的错误率上升,得不偿失。
  2.2 并联入侵
  由于采用单数据线,输入、输出会被叠加。即使未叠加单次猜中的概率为1/256、n次被猜中的概率为1/(256的n次方)。但如果猜中一次由于更新了x0会丢失一个合法的里程脉冲。且计价器一旦确认有侵入者,且越过容忍度,计价器会做相应的保护。
  2.3 串联入侵
  无法实现串联。
  2.4 取代入侵
  有两种取代的可能:A为穷举,然后建表 B, 推演出y=f(x0,x1)和Y=f(x0,y)
  A、 被穷举的个数=256*4294967296(如果Y的宽度=8)
  B、 推演出y=f(x0,x1),Y=f(x0,y)
  设:共有3步运算,其全排列=6
  Y的宽度=8 Y的个数= 256
  y的宽度=24 y的个数=16777216
  推演步数=256*[(16777216的3次方)*6]。
  3 小结
  为保证通讯的高效、稳定,选择适当的通讯频率,尽量减少通讯数据量。
  采用单数据线可加大安全性。
  从内部看:在传感器和计价器方各有256×4294967296个数据(256个不同的值,增加Y的宽度可增加不同的值),被放置在256×4294967296位置上。用这个量来增加枚举的量。
  从外部看:由于采用单数据线,输入、输出可能会被叠加,或被同时送到传感器和计价器。即使未叠加一次猜中的概率为1/256、n次被猜中的概率为1/(256的n次方)增加Y的宽度可降低被猜中的概率。
  如果猜中一次由于更新了x0会丢失一个合法的里程脉冲。当计价器一旦确认有侵入者,且越过容忍度,计价器会做相应的保护。
  参考文献:
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