基于串級(jí)控制的密碼鎖安全性優(yōu)化

山東科技大學(xué)機(jī)電工程系 趙蘭浩 董 鑫 孫 曄

基于串級(jí)控制的密碼鎖安全性優(yōu)化

山東科技大學(xué)機(jī)電工程系 趙蘭浩 董 鑫 孫 曄

針對(duì)目前應(yīng)用廣泛的普通電子密碼鎖存在的安全性問(wèn)題，為了提高現(xiàn)有電子密碼鎖的安全性，作者采用串級(jí)控制方法，在鍵盤與控制器之間引入接口環(huán)節(jié)，并運(yùn)用串并轉(zhuǎn)換技術(shù)設(shè)計(jì)了鍵盤與鎖體的接口。然后作者使用51單片機(jī)仿真改進(jìn)后的電子密碼鎖與普通密碼鎖進(jìn)行比較，驗(yàn)證得出經(jīng)過(guò)改進(jìn)的電子密碼鎖的安全性有所提高。

電子密碼鎖；串級(jí)控制；串并行轉(zhuǎn)換；單片機(jī)

1.背景

在日常生活中，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，安全成為人們經(jīng)常提起的話題之一，而且隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)于安全性的要求也越來(lái)越高。這一現(xiàn)象在鎖具上尤為明顯。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易被暴力破解，因此近些年產(chǎn)生了許多針對(duì)各種機(jī)械鎖的破解方法，給人們的財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了不小的損失。

為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)，人們采用各種技術(shù)開(kāi)發(fā)新型鎖具，出現(xiàn)了電子密碼鎖、指紋鎖、IC卡鎖等，由于電子密碼鎖具有保密性強(qiáng)、安全系數(shù)高、使用靈活性好等特點(diǎn)，在市場(chǎng)上受到了普遍好評(píng)。

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的電子密碼鎖都是通過(guò)固定鍵盤輸入密碼完成開(kāi)鎖任務(wù)，這些產(chǎn)品提高安全性的措施往往在增加密碼位數(shù)[1]，改進(jìn)鍵盤盤面設(shè)計(jì)[2]等。

2.安全性分析

密碼鎖的安全性主要包括兩個(gè)方面，穩(wěn)定性和識(shí)別性。具體來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性是指電子密碼鎖在長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中功能保持能力。識(shí)別性是指密碼鎖對(duì)于主人和入侵者的識(shí)別能力。一般人們選擇電子鎖具都是從這兩個(gè)方面考慮。

對(duì)于目前市場(chǎng)上使用最廣泛的電子密碼鎖，由于各個(gè)廠家采用了多種新型芯片作為控制器，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電子密碼鎖的內(nèi)部電路進(jìn)行了多次改造[3]，因此密碼鎖的穩(wěn)定性相較于以前有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

接下來(lái)分析識(shí)別能力，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖具最大的威脅是作為開(kāi)鎖器的鑰匙遺失或者被復(fù)制。進(jìn)入電子密碼鎖時(shí)代沒(méi)有了實(shí)體鑰匙，消除了由于鑰匙遺失給主人帶來(lái)的不便。但同時(shí)我們也注意到，由于密碼數(shù)字是抽象的，而且數(shù)字相對(duì)于機(jī)械鑰匙幾乎沒(méi)有復(fù)制難度，因此一旦使用者在無(wú)意中通過(guò)各種方式泄露密碼或者密碼易被猜出，對(duì)不法分子來(lái)說(shuō)將是最大的便利。而目前存在的普通密碼鎖在密碼泄露后對(duì)于主人的識(shí)別能力會(huì)基本喪失。

因此我們采用串級(jí)控制思想，將密碼鎖和機(jī)械鎖結(jié)合起來(lái)。對(duì)該問(wèn)題的解決會(huì)有一定的幫助

3.方案的選擇

所謂串級(jí)控制是指兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起控制一個(gè)執(zhí)行閥，實(shí)現(xiàn)控制目的的方法（引用5百度百科）。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是必須兩個(gè)調(diào)節(jié)器同時(shí)具備條件執(zhí)行閥才會(huì)按照程序動(dòng)作。 通過(guò)分析現(xiàn)有的電子密碼鎖具我們得出，現(xiàn)有的電子密碼鎖具主要過(guò)程是遵循使用者—鍵盤—控制器—執(zhí)行部件。因此加入控制環(huán)節(jié)的區(qū)間只有使用者和鍵盤、鍵盤和控制器，而控制器和執(zhí)行部件之間加入控制環(huán)節(jié)對(duì)于使用者將信號(hào)傳入控制器無(wú)關(guān)。

（1）使用者和鍵盤

在該區(qū)間加入控制環(huán)節(jié)，即使用者在使用鍵盤前必須通過(guò)其他方式驗(yàn)證自己身份。比如通過(guò)指紋識(shí)別來(lái)驗(yàn)證身份。

（2）鍵盤和控制器

在該區(qū)間加入控制環(huán)節(jié)，即鍵盤通過(guò)接口連入密碼鎖體，而不是直接輸入鎖體。比如可以將鍵盤拆除，然后通過(guò)串并行轉(zhuǎn)換技術(shù)設(shè)計(jì)接口。而接口設(shè)計(jì)成機(jī)械鎖結(jié)構(gòu)，只有機(jī)械鎖符合才會(huì)將鍵盤信號(hào)輸入控制器。

通過(guò)分析以上兩種方案，我們得出，第一種方案思路簡(jiǎn)單，但指紋識(shí)別芯片價(jià)格較高，且使用范圍較窄，指紋芯片受外界干擾大。而第二種方案較好結(jié)合了密碼鎖和機(jī)械鎖的優(yōu)點(diǎn)。成本較低，將鍵盤和鑰匙結(jié)合，提高了安全性。

4.鍵盤與鎖體的接口設(shè)計(jì)

（1）接口的總體設(shè)計(jì)

以16位鍵盤為例，鍵盤與控制器接口共有8位。因此將鍵盤拆除加入接口后，如果不做處理，則鍵盤與控制器需要有8個(gè)插口。這給密碼鎖的使用帶來(lái)不便。我們參考機(jī)械鎖的做法，運(yùn)用串并行轉(zhuǎn)換技術(shù)，將接口改成1位，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械鑰匙的功能。

（2）串并行轉(zhuǎn)換

串并行轉(zhuǎn)換技術(shù)是指實(shí)現(xiàn)串行和并行通信的相互轉(zhuǎn)換。

串行通信是指只使用一條數(shù)據(jù)線，按照順序傳輸數(shù)據(jù)，每一次只傳輸一位，每一位占據(jù)一個(gè)時(shí)間間隔。而并行通信是指在多條線上同時(shí)傳輸一組數(shù)據(jù)。

依據(jù)總體設(shè)計(jì)，我們?cè)谠墟I盤的基礎(chǔ)上加入電源和并轉(zhuǎn)串轉(zhuǎn)換器。在鎖體上加入串轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)換器。

（3）并轉(zhuǎn)串轉(zhuǎn)換芯片

對(duì)于并轉(zhuǎn)串轉(zhuǎn)換芯片，我們選擇74hc165芯片，74HC165是8位并轉(zhuǎn)串移位寄存器芯片，串行信號(hào)從Q0和Q7輸出，當(dāng)讀取口PL輸入為低電平時(shí)，輸入口輸入的并行數(shù)據(jù)按順序讀入寄存器中。當(dāng)讀取口PL輸入為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)將從DS輸入端串行讀入寄存器，同時(shí)在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿右移一位。利用這種特性，將Q7輸出作為下一級(jí)的DS輸入，實(shí)現(xiàn)并轉(zhuǎn)串轉(zhuǎn)換。

（4）串轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)換器芯片

對(duì)于串轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)換芯片，我們選擇74ls164芯片，74LS164是8位邊沿觸發(fā)式串行輸入并行輸出移位寄存器，門控串行輸入數(shù)據(jù)，并行輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)輸入端（DSA或DSB）中的其中一個(gè)串行輸入。任一輸入端可以控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入，具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)A、B中有一個(gè)為低電平時(shí)，在時(shí)鐘作用下，輸出Q（A）為高電平，當(dāng)A、B均為高電平時(shí)，輸出Q（A）為高電平。兩個(gè)輸入端或連接在一起，或把不用的輸入端接高電平。時(shí)鐘每次由低變高時(shí)，數(shù)據(jù)右移一位，輸入到 Q（0）， Q（0）是兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（DSA和 DSB）的邏輯與，它將上升時(shí)鐘沿之前保持一個(gè)建立時(shí)間的長(zhǎng)度。

5.驗(yàn)證和結(jié)論

我們通過(guò)PROTEUS軟件繪制了改進(jìn)后的密碼鎖原理圖，并同時(shí)繪制了普通電子密碼鎖的原理圖。由于機(jī)械鎖無(wú)法通過(guò)PROTEUS軟件進(jìn)行仿真，我們使用在控制器上的電源開(kāi)關(guān)作為機(jī)械鎖環(huán)節(jié)的仿真。通過(guò)仿真，我們得出以下結(jié)果：

（1）普通電子密碼鎖和改進(jìn)后的電子密碼鎖在基本的功能實(shí)現(xiàn)上并無(wú)差別，輸入密碼后工作正常。因此在基本功能上，兩種鎖功能相同。

（2）改進(jìn)后的密碼鎖在密碼泄漏后對(duì)主人的識(shí)別能力較好，普通密碼鎖識(shí)別能力幾乎為零，基本達(dá)到了優(yōu)化目的。

（3）改進(jìn)后的密碼鎖在使用時(shí)其方便性會(huì)低于普通電子密碼鎖。但考慮到其安全性明顯高于機(jī)械鎖和普通電子密碼鎖，而且由于使用了串并行轉(zhuǎn)換技術(shù)，方便性與機(jī)械鎖相當(dāng)。因此改進(jìn)后的電子密碼鎖在安全性和方便性之間有著較好的平衡。

[1]李嵐．多位數(shù)字密碼鎖[J]．電子制作,2002(11):12-13．

[2]胡彩霞,吳曉盼．基于VHDL利用PS/2鍵盤控制的密碼鎖設(shè)計(jì)[J]．銅陵學(xué)院學(xué)報(bào),2011,10(5)．

[3]李曉輝,基于單片機(jī)與串行通信的電子密碼鎖設(shè)計(jì)[J]．電子技術(shù)與軟件工程,2014(22)．

趙蘭浩（1996—），男，山東棗莊人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于山東科技大學(xué)。