针对车联网信息安全的加密引擎芯片设计

（中国电子科技集团公司第五十八研究所 江苏 214072）

据公安部交管局统计，我国汽车拥有量超1.5亿，销售量跃居世界第一。随着汽车网络化程度的提高，车联网采用各种通信技术实现汽车控制、导航定位、联网应用、车地通信(汽车与路边设备通信)、车车通信、车人通信等功能。

车联网主要包含4个部分，主机、汽车T-BOX、手机APP 及后台系统。其中汽车T-BOX 主要用于和后台系统、手机APP 互联通信，实现车辆的信息显示和控制[1]。

车联网的发展的同时，也隐含了汽车被远程攻击的威胁。汽车内部存在很多安全缺口，如OBD 故障检测接口、数字门锁、胎压监测系统、WIFI/蓝牙、2G/3G/4G/5G通信设备等。这些漏洞一旦被攻击，车辆存在着被监听和被劫持的可能性[2]。

本文从车联网信息安全分析，提出设计一种基于AES算法的新安全应用机制的数字信号处理器设计方案，通过实验证明该方案的有效性。

1 车联网系统概述

1.1 车联网系统构架

车联网体系构架分为应用层、传输层和采集层[3]，如图1所示。

应用层，应用层主要是针对汽车用户，通过手机或者移动终端，为用户提供智能服务。应用层主要实现路况分析、车辆状态分析和车辆故障分析等功能，在此过程中与城市交通中心达到信息共享，对用户提供便捷服务的同时，也为城市交通提供协助。

传输层，传输层是通过4G、蓝牙、RFID 等手段，将信息采集的数据传输给应用层。

采集层，采集层主要是利用汽车传感器、视频采集器、音频采集器等，获取汽车自身状态信息和路况等信息，通过传输层再到应用层。

现阶段车联网功能还处于监控阶段，未能有效实现人、车、路的统一。

图1 车联网系统构架

1.2 车联网的安全现状分析

近年来网络安全研究人员针对车联网的攻击测试案例，反映了车联网在应用中面临的巨大安全威胁：

2013年召开的拉斯韦加斯黑客大会上，两位黑客演示了如何攻击丰田普锐斯和福特翼虎汽车的控制系统，从而实现包括高速行驶时突然制动、使车辆刹车失灵、猛打方向盘等一系列操作。2015年，两位安全研究人员演示了利用克莱斯勒公司Jeep Cherokee的车联网“Uconnect”功能的漏洞，远程入侵并控制目标车辆，自由操控汽车上的娱乐系统、雨刷、方向盘、引擎等。

车联网络通过RFID、移动通信网(2G/3G/4G/5G)、WIFI 等无线通信手段与云平台和手机APP相连，存在通讯信息暴露的安全风险。黑客通过信息数据规律，攻击车辆，控制车辆非法加速、减速、开门和关门等危险操作。传输信息加密势在必行。

2 AES算法

AES算法是基于Rijndael 结构的迭代对称分组密码算法，分组长度为固定128Bit，可支持128Bit、192Bit和256Bit 长度的密钥，转换的轮数由密钥长度和分组长度共同决定。128Bit的AES算法加密流程如图2所示，在第一轮密钥加变换后进入10 轮迭代，前9 轮完全相同，一次经过字节替代，行位移、列混合、轮密钥加，最后一轮不同，跳过了列混合运算。与之对应的解密流程是加密流程的逆运算，每一步操作都是可逆的，按相反的顺序进行完成解密流程，需要注意的是，二者轮密钥的顺序也正好相反[4]。

图2 AES加解密流程图

字节变换（SubByte）的主要功能是通过使用S盒完成一个字节到另外一个字节的映射。S盒是一个大小16*16 矩阵，完成一个8 比特输入到8 比特的输出的映射，输入的高4 位的值是位行标，低4位的值是列标，其本质是一个查表过程[5]。

行位移（ShiftRows）是在字节变换的基础上，仅对状态矩阵的每个横行进行向左循环移位操作[6]。其中，128Bit的AES算法经过该变换后，状态矩阵第1 行不移位，第2、3、4 行分别向左循环移位1、2、3个字节，如公式（1）表示。

逆向行移位即是相反的操作，如下式（2）所示。

列混淆（MixColumn）是对状态矩阵逐列进行变换，状态矩阵的每列可以看作是系数来自有限域GF(25)且次数小于4的多项式a(x)，在取模x4下与多项式cc(x)相乘[7]，如式（3）（4）所示：

写成矩阵形式为式（5)：

与行移位的作用一样，列混淆同样是确保AES算法多轮运算之后获得高度的扩散特性。

轮密钥加（AddRoundKey）是将轮密钥按位异或到中间数据。轮密钥与初始密钥相关，由密钥编排算法计算和分配，且轮密钥长度等于分组长度。

3 电路设计验证

3.1 电路设计

加密引擎芯片设计在芯片内部集成了AES算法加解密模块。基于AES算法的原理分析，行移位运算不需要逻辑门，轮密钥加运算只涉及异或门逻辑，预先将11 轮解密轮密钥存储到寄存器组中可代替密钥扩展功能，相比之下，字节变换和列混淆的实现比较复杂。以AES解密模块中的逆字节变换和逆列混淆为例：逆字节变换其实是一个S盒查表的过程，借助S盒查找并替换字节来掩盖明文和密文之间的关系，是AES轮变换中一个非线性操作环节，也是保证AES安全的设计关键。常见的实现方法有查找表和有限域运算，相比查找表法，有限域运算实现S盒操作会节约一定的面积开销，同时也会增加字节替换的运算复杂度，降低算法的运算效率。而查找表的硬件电路简单，易于实现，且每个时钟周期就能完成一次S盒运算让查找表形式的S盒比有限域形式的S盒有着更高的系统吞吐率[8]。本电路设计采用case 语句完成S盒的查表替换操作，以AES解密算法为例。

由AES算法原理可知，逆列混淆可用有限域GF(28)GF(28)的矩阵形式表示如下：

每个元素变换后如下式所示：

公式（7）表示的是逆列混淆运算，由有限域运算法则可知，公式（7）是多次乘2 运算和异或操作的组合运算，调用xtime函数可以完成乘2 运算的逻辑实现，其运算过程如式（8）所示。

逆列混淆运算公式可以转化为基于xtimextime 函数的运算。基于上述AES解密模块的硬件设计思路，采用Verilog HDL语言完成电路加解密的功能描述，其逻辑结构如图3所示：

图3 AES解密模块电路图

3.2 仿真验证

电路的功能仿真采用Cadence 公司的NC Verilog软件，用128bit位密钥进行实验，其中AES加密结果如图4，128bit 密钥128bit 明文加密需要14个时钟周期[9-10]。

密钥/明文/数据如下：

KEY=00000000000000000000000000000000

数据输入：

f34481ec，3cc627ba，cd5dc3fb，08f273e6，

密文输出：

0336763e，966d9259，5a567cc9，ce537f5e

图4 AES加密结果

AES解密结果如图5所示：

图5 AES解密结果

KEY=00000000000000000000000000000000

输入密文：

0336763e，966d9259，5a567cc9，ce537f5e

输出明文：

f34481ec，3cc627ba，cd5dc3fb，08f273e6

4 结束语

本文基于车联网的系统构架，针对车联网数据安全性过低，提出了加密引擎芯片设计。从芯片自身入手，添加了AES加解密模块。最后，通过实验结果证明，使用AES加密算法可以有效地对传输控数据进行保护。