一種物聯(lián)網(wǎng)電子車牌安全方案

引言

車聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻識別（RFID）、環(huán)境感應器、全球定位系統(tǒng)、毫米波雷達等信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何車輛與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)車輛智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。

車輛的注冊登記及牌照管理一直以來都是交通管理部門的管理重點，也是難點所在，黑車、套牌車、肇事車逃逸、車牌防偽等問題始終沒有得到根本解決。采用RFID技術(shù)實現(xiàn)電子車牌管理是有效解決這一問題的方法之一，可規(guī)范車輛管理，加強對車輛的監(jiān)查力度，實現(xiàn)車輛年檢的智能化管理,強化對非法車輛的打擊效果。

1電子車牌系統(tǒng)架構(gòu)

采用電子車牌技術(shù)，就需要保證該項技術(shù)的安全可靠,解決電子標簽防拆、標簽內(nèi)容防篡改、防非法讀取、防偽造等一系列的安全問題。整個電子車牌系統(tǒng)涉及感知層（采集層）、網(wǎng)絡層、應用層管理網(wǎng)絡層和應用層的安全方案在互聯(lián)網(wǎng)中已經(jīng)有大量的理論和實際應用，本文只是針對電子車牌感知層提出的一種安全方案。其電子車牌管理系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1所示。

電子車牌的感知層基本分為讀寫器和標簽兩部分構(gòu)成；其中，標簽粘貼在車輛前擋風玻璃內(nèi)側(cè)，讀寫器安裝在路邊架子上（手持式讀寫器拿在人的手上）。由讀寫器主動發(fā)起讀寫清點密碼訪問等操作，標簽被動響應讀寫器操作，作出應答。標簽的工作電源由讀寫器發(fā)射的電磁波提供，返回的信號通過反向散射調(diào)制在讀寫器發(fā)送的載波信號上，由讀寫器來解調(diào)。具體工作原理如圖2所示。

圖2電子車牌感知層工作原理框圖

但由于目前無源超高頻電子標簽射頻識別系統(tǒng)的讀寫器和標簽采用通用的協(xié)議和標準，遵循相同的標準讀寫器可以訪問遵循相同標準的標簽。同時無源超高頻電子標簽供電由讀寫器在遠距離發(fā)射超高頻電磁波實現(xiàn)，供電功率低，不能在標簽上應用復雜的認證流程和算法，因此標簽上的數(shù)據(jù)無法屏蔽合法系統(tǒng)外的讀寫器的讀取。

在電子車牌管理系統(tǒng)中，電子號牌的ID標識是車輛的唯一識別碼，因此，在整個應用系統(tǒng)中，需要保證車輛電子號牌ID的唯一性，實現(xiàn)同車輛的一一對應，并且不可以被偽造、篡改。安全問題是車輛管理系統(tǒng)中至關重要的問題，車牌是機動車輛最明顯的標識，現(xiàn)實中人們都是通過號牌識別違章車輛、肇事車輛，因此系統(tǒng)必須保證標簽中的號牌數(shù)據(jù)不能被隨意讀取、篡改甚至偽造。因此系統(tǒng)要求能高效的識別有效標簽，并能實現(xiàn)電子車牌的防讀，防篡改，防偽造。本文提供了一種電子車牌感知層的安全方案。

2電子車牌ID唯一性的實現(xiàn)

在國際標準ISO18000-6C標準中，TID是有廠商保證的只讀性的唯一標識，也就是標簽的物理唯一標識，其組成為多為廠商標識和標簽序列號組成（序列號在同一廠商內(nèi)可具有唯一性），而EPC碼則是標簽所代表的物品唯一標識，由標準組織授權(quán)發(fā)放，可作為標簽邏輯上的唯一標識。在協(xié)議中EPC碼是可被改寫的，因而，只用其做唯一標識，存在被篡改隱患，而使用TID做唯一標識又存在效率上問題，故而采用EPC+TID（最后一個字）作為標簽唯一性的標識，在“一個SAM對應一個密鑰”方案進行使用。

2.1“一個SAM對應一個密鑰”方案

讀寫器一端在出廠前內(nèi)置了存儲系統(tǒng)密鑰的SAM安全模塊。利用6C標簽芯片的物理唯一性標識TID及邏輯唯一標識EPC碼，和存儲在SAM安全模塊內(nèi)的系統(tǒng)密鑰和單向算法實現(xiàn)“一個SAM對應一個密鑰”。由于“EPC+TID最后一個字+系統(tǒng)密鑰”組成的長數(shù)組也具有唯一性，可以近似認為此數(shù)組通過單向散列函數(shù)生成的標簽密碼也具有唯一性。

由于單向函數(shù)的不可逆性，密碼的安全性在于系統(tǒng)密鑰的安全性。系統(tǒng)密鑰只保存在SAM芯片中，不可讀取或?qū)С?只能通過輸入“標簽EPC+TID最后一個字”輸出標簽密碼,這樣就確保了系統(tǒng)密鑰的安全。

6C標簽的訪問密碼和殺死密碼采用與標簽數(shù)據(jù)加密密碼相同的算法，不同的系統(tǒng)密鑰，避免空口信號被偵聽破解后數(shù)據(jù)加密密碼的部分泄漏。

2.2標簽有效，性驗證

系統(tǒng)如何能高效的驗證讀到的標簽是否為有效的標簽是至關重要的問題。對于采用6C協(xié)議的電子車牌標簽，系統(tǒng)提供有聯(lián)機和脫機兩種驗證方案，以適應不同應用。

（1）聯(lián)機方案

通過讀取標簽的EPC+TID（最后一個字），并在聯(lián)機數(shù)據(jù)庫上查詢對應數(shù)據(jù)，來判斷車牌是否有效。這種方式優(yōu)點是空口數(shù)據(jù)量少，適合于要求快速交易，并且有聯(lián)機工作條件的應用場所。

（2）脫機方案

讀取EPC+TID（最后一個字），并由EPC+TID（最后一個字）+系統(tǒng)密鑰（存放于SAM安全模塊中）單向散列（MD5）計算出標簽密碼。解密用戶區(qū)或EPC區(qū)讀出的驗證數(shù)據(jù)。得到驗證數(shù)據(jù)的明文，例如為所繳年費的有效期，根據(jù)此明文內(nèi)容判斷標簽是否有效。這種方案適用于無法實現(xiàn)聯(lián)機工作的應用場所。

2.3標簽防讀

有兩種手段可以有效地防止用戶區(qū)的數(shù)據(jù)被未授權(quán)讀寫器讀取。

第一是采用讀保護技術(shù)。即在標簽的用戶區(qū)設置讀保護功能，保證訪問標簽的空口命令必須寫到正確的標簽密鑰，否則無法讀取用戶區(qū)數(shù)據(jù)。

第二是數(shù)據(jù)加密技術(shù)。防讀需求通過在電子標簽上存貯密文來避免標簽內(nèi)的有效數(shù)據(jù)被讀取。標簽中不以明文存儲,避免非法用戶通過未授權(quán)讀寫器直接獲取標簽內(nèi)的有效數(shù)據(jù)。加密算法和密鑰保存在SAM安全模塊中，通過輸入EPC+TID（最后一個字）和明文輸出密文，或輸入EPC+TID（最后一個字）和密文輸出明文。

2.4標簽防篡改

對于TID區(qū)，標簽的唯一性標識TID是芯片廠家出廠前寫入，不能改寫的。而對于用戶區(qū)和EPC區(qū)，電子車牌數(shù)據(jù)中的EPC+TID（最后一個字）生成標簽的訪問密碼，需要知道訪問密碼才能更改標簽數(shù)據(jù)。

此外，也可以通過設置相應區(qū)域的鎖定狀態(tài)，保護數(shù)據(jù)不被改寫。如在設置訪問密碼之后，設置密碼區(qū)為永久鎖定，不可讀寫。用戶區(qū)和EPC區(qū)，可根據(jù)數(shù)據(jù)類型，將不可變更數(shù)據(jù)如車牌號、車輛識別號等設為永久鎖定，需要變更的其它數(shù)據(jù)塊設為不永久鎖定。處于永久鎖定狀態(tài)的區(qū)域不可改寫，處于鎖定狀態(tài)的區(qū)域需通過密碼訪問才可改寫。

2.5標簽防偽造

與防篡改類似，對于TID區(qū)，標簽的唯一性標識TID是芯片廠家出廠前寫入，不能改寫。因此如果不與芯片廠家合作，很難偽造一張TID區(qū)為指定內(nèi)容的標簽。

用戶區(qū)和EPC區(qū)中寫入的內(nèi)容為密文，其密碼與TID近似于映射關系。即使在知道明文，加密算法和TID的情況下,由于不知道系統(tǒng)密鑰，不能得出該TID對應的數(shù)據(jù)密碼，因此也無法寫入能通過有效性驗證的密文。

2.6標簽防拆卸

通常情況下，電子標簽安裝在汽車前玻璃上：此時，電子標簽采用陶瓷基板，其性能跟玻璃類似，當車輛前擋風玻璃破碎時，電子標簽自動損壞、不可用。同時，標簽設計時,內(nèi)置暗紋格等方法進行防拆卸設計，當有人試圖將標簽從車玻璃上拆下時，標簽暗紋格會自動破損失效，這樣可以防止人為非法將標簽拆下來安裝到其它車輛上使用。

在極少數(shù)特殊情況下，由于汽車玻璃上帶有很強的金屬膜，無線信號不易穿過。此種情況下有兩種處理方法：一種方法是將汽車玻璃膜進行割膜操作，然后將標簽貼在玻璃內(nèi)側(cè)（同樣是防拆標簽）。另一種方法是將電子標簽安裝在車輛實際物理車牌的位置，需要采用抗金屬標簽設計，同時將標簽設計為和物理車牌一體化、無法單獨拆卸標簽；

2.7標簽發(fā)卡流程

發(fā)卡過程中需要使用內(nèi)置有同樣SAM安全模塊的專用發(fā)卡器，發(fā)卡的工作流程如下：

首先判斷卡片是否正常有效，沒有設置訪問密鑰，可以正常讀寫；

去讀標簽TID區(qū)的唯一標識，用于標簽密鑰的生成和數(shù)據(jù)的加密；

寫入規(guī)劃好的EPC區(qū)的數(shù)據(jù)，可以用于車輛的分組、分類等；

寫入規(guī)劃好的USER區(qū)數(shù)據(jù)，包括車輛的電子檔案信息、繳費標志信息等:

采用單向散列生成標簽的訪問密鑰，寫入標簽的密碼區(qū)；

設置各個區(qū)域的讀寫權(quán)限，將密碼區(qū)永久鎖定，保證訪問密鑰不能被讀寫，其他區(qū)域根據(jù)具體的應用需求設置可逆鎖定還是永久鎖定。

3讀寫器設備啟動流程

在讀寫器設備啟動時，先進行SAM和CPU的雙向認證，以防止設備或SAM被替換。雙向認證的流程如下：

CPU產(chǎn)生一個隨機數(shù)RN1，用加密密鑰進行3DES加密，并將結(jié)果發(fā)生給SAM安全模塊；

SAM對接收到的數(shù)據(jù)進行解密，得到RN1,并生成隨機數(shù)RN2,追加在RN1后，進行3DES加密，將結(jié)果再發(fā)送給CPU；

CPU將其解密，獲取RN2,再將RN2用3DES加密,發(fā)送給SAM；

SAM安全模塊解密后，確保CPU重新發(fā)送來的RN2與自己生成的一致，則認證通過。

其后，進行獲取系統(tǒng)主密鑰的流程如下：

SAM安全模塊在RN2后追加系統(tǒng)密鑰，并用3DES進行加密，將加密結(jié)果發(fā)送給CPU。

CPU解密后，獲取系統(tǒng)密鑰，并進行緩存，以便后續(xù)安全操作時使用。

4車輛通行流程

車輛通行的過程中采用內(nèi)置了SAM安全模塊的專用讀寫器采集電子標簽的信息，來判定車輛是否合法有效，是否可以通行，具體流程如下：

清點EPC碼；

讀取車輛的TID的最后一個字；

在聯(lián)機模式下，根據(jù)EPC+TID(最后一個字)直接

查詢后端數(shù)據(jù)庫，判斷車輛是否合法有效；

在脫機模式下使用EPC+TID(最后一個字)和SAM安全模塊存儲的系統(tǒng)密鑰共同生成標簽訪問密鑰，來讀取標簽的用戶區(qū)數(shù)據(jù)，判斷車輛是否合法有效；

對于合法有效車輛可以正常通行，否則進行相應的處理。

5加密算法

SAM安全模塊采用內(nèi)部密鑰管理機制，加密解密過程通過加密算法運算動態(tài)進行，在實際應用中很難被破譯和攻擊；在讀寫器內(nèi)安裝SAM安全模塊后，密鑰和加密運算都封裝在SAM安全模塊內(nèi)部，與讀寫器的運算處理單元無關。這樣能實現(xiàn)系統(tǒng)的安全性只和發(fā)卡商或者運營商有關，而與設備提供商無關。

SAM安全模塊信息傳輸方式和外形尺寸采用ISO7816-3國際標準，接口兼容性好，更換方便。

5.1數(shù)據(jù)加密算法

標簽的訪問密碼和殺死密碼生成

采用MD5算法生成。輸入數(shù)據(jù)串為TID+系統(tǒng)密鑰KM1。

輸出為128位MD5數(shù)字摘要。由128位的數(shù)字摘要生成訪問和殺死密碼。代碼如下：

ACCESSCODE=MD5(127..96)MD5(95..64)

KILLCODE=MD5(63..32)MD5(31..0)

(2)數(shù)據(jù)加密密碼生成

數(shù)據(jù)加密密碼采用MD5算法生成。輸入數(shù)據(jù)串為TID+系統(tǒng)密鑰KM2.

輸出為128位,MD5數(shù)字摘要作為數(shù)據(jù)加密密碼，代碼為:

K=MD5(1270)

MD5算法

MD5算法遵循RFC—1321文檔。

近年來，雖然MD5算法的安全性受到了巨大的挑戰(zhàn)。但對于MD5的破解限于碰撞方面，算法的仍然是不可逆。這里采用MD5算法生成的數(shù)據(jù)是為了保護系統(tǒng)根密鑰KM。在已知明文和ACCESSCODE和KILLCODE的情況下，不可能計算出系統(tǒng)根密鑰KM。

3DES算法:

3DES算法遵循ANSIX9.52標準，加密模式采用ECB模式。圖3所示是3DES算法的加密過程。圖4所示是3DES算法的解密過程。

讀取數(shù)據(jù)時，可僅讀取車牌號或電子信息碼。

3DES算法是指使用雙長度(16字節(jié))密鑰K=(KL||KR)將8字節(jié)明文數(shù)據(jù)塊加密成密文數(shù)據(jù)塊，代碼如下：

寄存器組初始化為全1（0xFFFF）。

5.2加密算法的安全性分析

對于MD5算法，找到兩個具有相同MD5值的數(shù)據(jù)需要執(zhí)行264次運算；而尋找具有給定MD5值的數(shù)據(jù)，要執(zhí)行2128次運算。本方案中主要關心第二種情況，如果采用窮舉法攻擊，設每秒能窮舉1萬億條密鑰（最快計算機運算速度為12萬億次／秒），需要10～21年，

既使按照摩爾定理，計算機的運行速度每18個月提高1倍來計算，也需要103年。對于3DES算法，若三個密鑰互不相同，本質(zhì)上就相當于用一個長為168位的密鑰進行加密。本方案中，密鑰的有效長度為112位，密碼空間為2112約5×1033，如果采用窮舉法攻擊，設每秒能窮舉1萬億條密鑰（最快計算機運算速度為12萬億次／秒），需要10～17年，即使按照摩爾定理，計算機的運行速度每18個月提高1倍來計算，也需要84年。

6結(jié)語

綜上所述，采用上述一整套的安全方案完全可以保證電子車牌感知層系統(tǒng)的安全性，實現(xiàn)標簽數(shù)據(jù)的讀保護、防偽造、防篡改、防拆卸等功能，保障電子車牌技術(shù)的安全可靠。并且，該安全方案在國家發(fā)改委和信息產(chǎn)業(yè)部的電子車牌試點項目中得到了實際應用驗證，完全可以保證該方案在全國大范圍內(nèi)的推廣應用。

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