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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳貞儀
研究生(外文):Chen-Yi Wu
論文名稱:一般家用門鎖免鑰匙系統之研究與實現
論文名稱(外文):The Research and Implementation of Keyless Entry System for Home Door Lock Application
指導教授:卓世明卓世明引用關係
指導教授(外文):Shih-Ming Cho
學位類別:碩士
校院名稱:醒吾技術學院
系所名稱:資訊科技應用研究所
學門:電算機學門
學類:電算機一般學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:111
中文關鍵詞:被動式免鑰匙進入主動式遠端免鑰匙遙控器無線射頻辨識系統防碰撞機制高級加密標準
外文關鍵詞:Passive Keyless Entry (PKE)Remote Keyless Entry (RKE)Radio Frequency Identification (RFID)Anti-collisionAdvances Encryption Standard (AES)
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主動式遠端免鑰匙遙控器(Remote Keyless Entry;RKE) 常用於汽車及家用車庫門鎖,用來開、關鎖。此一免鑰匙RKE系統簡單,但需使用者手按遙控器上的按鈕來操作。結合無線射頻辨識系統(Radio Frequency Identification;RFID) 的被動式感應運作原理,可以讓RKE 系統變成無需手動按鈕的被動式免鑰匙進入系統(Passive Keyless Entry;PKE) 。此一新的系統,應用於家用門鎖的開鎖。使用者身上的應答器(Transponder) 如同遙控器,平時進入睡眠省電模式,但經由門鎖設備以125 kHz 低頻無線電信號來喚醒,以進行後續UHF 超高頻無線電方式的自動認證。此一動作,被設計在使用者開門的同時,門鎖設備如同讀取器(Reader) 自動發出低頻喚醒信號,啟動應答器自動進行認證動作。應答器使用簡單低價8 位元微控制器(MCU) 來實現,並使用UHF 的無線電工作頻率來增加通信距離。本論文考慮應用於家用門鎖的免鑰匙開鎖系統,並就應用時的某些可能問題進行探討。系統分為兩部分,門鎖設備之讀取器與使用者身上之應答器;為提高安全性,設計兩端各自將隨機碼(Random number) 以AES-128 bits 演算法進行加密,並只傳送比對較短Hash 訊息,取代全部密文或複雜的解密演算法,達到無線電傳輸時間極小化之目標。以簡單軟體實現之AES-128 演算法,進行高安全認證機制,以阻止各種可能的安全攻擊。通信碰撞(Collision) 問題,採用不同的防碰撞機制,以減少訊息傳輸碰撞機率,增加系統使用效率。
Remote Keyless Entry (RKE) is often used in the vehicles and garage to lock or unlock the door. The RKE can easily be used by users carrying a fob and pressing the lock or unlock buttons. By combining the passive induction coupling of Radio Frequency Identification (RFID), RKE may lead in another system a Passive Keyless Entry (PKE) system, which can be applied in hands-free home door unlock system. Likes a remote controller, the user’s transponder normally states in sleep mode, and is triggered by a low radio frequency (LF) signal, and subsequently uses an Ultra-high radio frequency (UHF) signal to take authentication with door’s device. This step is initiated when user attempts to unlock a door, the door device automatically sends a LF wakeup signal to trigger the user’s transponder to take the authentication process. The low-cost 8 bits microcontroller can be used to implement the transponder. The transponder can reduce the power consumption, and the use of UHF can increase the distance of radio frequency. In the article, the appliances of the home door unlock system and propose solutions were discussed the possible problems. The system consists of two units the reader at the lock device and the transponder at the user. In order to provide a higher level of security, these two units share the same 128-bits secret-key and perform the challenge-response mechanism to authenticate each other. To enhance safety, design both ends of the respective random code (Random number) to AES-128 bits encryption algorithm, and only shorter than Hash message sent to replace the whole ciphertext decryption algorithms or complex, to the radio transmission The goal of time minimization. Simple software implementation of AES-128 algorithm, the high-security authentication mechanism to prevent possible security attacks. Collision problems are also solved by using different anti-collision mechanisms to decrease signal collision and to increase system useful.
目錄

摘要................................... i
ABSTRACT............................ ii
誌謝.................................. iv
目錄................................... v
表目錄................................ ix
圖目錄................................. x
1.緒論 1
1.1. 門禁系統現況 1
1.2. 免鑰匙門禁系統功能性 2
1.3. 一般家用門鎖的特性 4
1.4. 研究目的 4
1.5. 研究步驟流程圖 5
1.6. 各章概述 7
2. 研究背景 8
2.1. 無線射頻技術 (RFID) 8
2.1.1.RFID Transponder 8
2.1.2.RFID Reader 10
2.1.3.RFID 作用原理 10
2.1.3.1.電感耦合 (Inductive Coupling) 10
2.1.3.2.電磁逆向散射耦合 (Backscatter Coupling) 11
2.1.4.RFID 工作頻率 11
2.1.5 RFID 資料完整性 13
2.1.6.RFID 多重存取法 13
2.1.6.1二進位搜尋演算法 Singulation 16
2.1.6.2.ALOHA 16
2.1.6.3.Slotted ALOHA 17
2.1.7.RFID技術運用在居家門鎖的優缺點 17
2.2. 主動式遠端免鑰匙遙控器 (REMOTE KEYLESS ENTRY ; RKE) 18
2.3. 被動式免鑰匙進入系統 (PASSIVE KEYLESS ENTRY ; PKE) 19
2.4. 資料的安全性與認證問題 21
2.5. 無線通訊的訊息碰撞問題 27
2.5.1.應答器碰撞 (Transponder Collision) 27
2.5.2.讀取器碰撞 (Reader Collision) 28
2.6. 信號編碼技術 29
2.6.1.NRZ 編碼 31
2.6.2.NRZ-I 編碼 32
2.6.3.RZ 編碼 33
2.6.4.Manchester 編碼 34
2.7. 信號調變技術 36
3. 系統架構與設計 39
3.1. 門鎖系統架構圖 39
3.2. 系統架構 41
3.2.1.應答器部分 (Transponder) 43
3.2.2.讀取器部分 (Reader) 44
3.3. 無線電通訊 45
3.4. 認證安全設計 46
3.5. 防碰撞搜尋法設計 56
4. 系統分析與實作 59
4.1. 遙控器 60
4.1.1.應答器實現 60
4.1.2.認證程序流程圖 64
4.1.2.1.主動式喚醒 65
4.1.2.2.被動式喚醒 65
4.2. 門鎖 67
4.2.1.讀取器實現 67
4.2.2.認證程序流程圖 69
4.2.2.1.主動方式 71
4.2.2.2.被動方式 71
4.3. 無線電編碼 72
4.4. 認證安全分析 75
4.4.1.認證方式 77
4.4.2.AES 加密流程 78
4.5. 防碰撞實現 79
4.5.1.假設參數與條件 80
4.5.2.優點 81
4.6. 存在問題與考量 81
4.7. 實作成果 83
4.8. 實作結論 86
4.8.1.電路圖部分 88
4.8.2.軟體實作部分 91
4.8.3.實作測試 92
5. 問題探討與對應 102
5.1. 非預期開門狀況 102
5.2. 門禁開鎖後之後續動作 102
5.3. 主動式遙控器設計 102
5.4. 天線問題 103
5.5. 電力問題 103
5.6. 應答器複製問題 104
5.7. 更多信號碰撞探討 104
5.8. 更高安全 104
6. 結論 106
7. 參考文獻 107

表目錄
表 2.1 RFID 常用頻率範圍 12
表 2.2 高級加密標準AES參數 26
表 2.3 編碼技術選擇時需考量的因素 30
表 2.4 常見數位信號編碼方式之比較 31
表 4.1 TRANSPONDER 電路設計 63
表 4.2 TRANSPONDER 執行認證流程所耗時間 67
表 4.3 READER 電路設計 68
表 4.4 READER 與TRANSPONDER 之間的傳輸信號 72
表 4.5 攻擊者進行字典攻擊所需時間TRANSPONDER 之間的傳輸信號 82
表 4.6 READER 與遙控器之間的感應距離 87


圖目錄
圖 1.1 免鑰匙門禁系統 2
圖 1.2 研究步驟流程圖 6
圖 2.1 FDMA 15
圖 2.2 TDMA 16
圖 2.3 高級加密標準AES 的加密與解密 25
圖 2.4 TRANSPONDER COLLISION 28
圖 2.5 READER COLLISION 29
圖 2.6 NRZ 編碼 32
圖 2.7 NRZ-I 編碼 32
圖 2.8 RZ編碼 33
圖 2.9 曼徹斯特編碼 34
圖 2.10 數位信號的工作週期圖解 36
圖 2.11 常用調變技術 38
圖 3.1 一般家用免鑰匙門鎖系統 39
圖 3.2 PKE系統 41
圖 3.3 READER 與 TRANSPONDER 的安全認證 46
圖 3.4 安全認證可能的危機 49
圖 3.5 RELAY ATTACK 50
圖 3.6 AVOID RELAY ATTAC 51
圖 3.7 READER與TRANSPONDER的進一步安全認證 52
圖 3.8 READER 與 TRANSPONDER 的安全認證 ( MATCH SEQUENCE ) 53
圖 3.9 READER 與 TRANSPONDER 的安全認證 ( SHORT DISTANCE ) 54
圖 3.10 READER 與 TRANSPONDER 的安全認證 ( LONG DISTANCE ) 55
圖 3.11 類似FDMA 的規劃設計 57
圖 3.12 類似TDMA 的規劃設計 58
圖 4.1 門鎖READER與遙控器TRANSPONDER運作圖 59
圖 4.2 MICROCHIP-MCP 2030 IC感應信號強度與距離關係 62
圖 4.3 遙控器端 (TRANSPONDER) 的認證流程 64
圖 4.4 TRANSPONDER 主動與READER 進行認證時序圖 65
圖 4.5 門鎖端 (READER) 的認證流程 70
圖 4.6 READER 主動與遙控器進行認證時序圖 71
圖 4.7 無線電信號與MCU 編碼關係 73
圖 4.8 無線電信號中的START 旗標S0與STOP 旗標S1 74
圖 4.9 另一種AM 信號與MCU 編碼關係的例子 75
圖 4.10 AES 加密方式 78
圖 4.11 READER 使用RS 232 將詢問值與回應值印出 83
圖 4.12 遙控器之電路圖 89
圖 4.13 READER之電路圖 90
圖 4.14 PKE 遙控器 92
圖 4.15 TRANSPONDER 正面 93
圖 4.16 TRANSPONDER 背面 95
圖 4.17 READER 天線線圈 96
圖 4.18 READER MCU 97
圖 4.19 實作門鎖 (一) 內側 98
圖 4.20 實作門鎖 (二) 外側,傳統鑰匙仍在 99
圖 4.21 實作門鎖 (三) 外側 100
圖 4.22 實作門鎖 (四) 外側,含腳踏開關 101
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