CN101420306A

CN101420306A - 一种基于rsa加密和签名算法的汽车车载自动诊断方法

Info

Publication number: CN101420306A
Application number: CNA2008102446948A
Authority: CN
Inventors: 肖佐楠; 苏世功; 郑茳; 匡启和
Original assignee: 肖佐楠; 苏世功; 郑茳; 匡启和
Current assignee: Suzhou Guoxin Technology Co., Ltd.
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2009-04-29
Anticipated expiration: 2028-12-12
Also published as: CN101420306B

Abstract

一种基于RSA加密和签名算法的汽车车载自动诊断方法，其特征在于：以车载自动诊断OBD系统为基础，包含以下处理：(1)数据采集；(2)数据加密和签名；(3)数据传送；(4)数据解密和签名验证；(5)数据分析。本发明在数据采样后对相关的数据信息进行加密和签名计算，从而保证所采集数据的完整性，安全性和唯一性。在接收OBD数据后对接收的相关数据信息进行签名验证和解密，从而能保证接收的信息是准确和有意义的，从而使整个OBD系统能够更加稳定和安全的运行。

Description

一种基于RSA加密和签名算法的汽车车载自动诊断方法

技术领域

本发明涉及汽车故障及尾气排放情况的车载自动诊断方法，特别涉及一种基于RSA加密和签名算法的汽车车载自动诊断方法。

背景技术

汽车发动机管理系统可以有效的改进车辆的排放水平，减少污染物的排放，但同时发动机管理系统部件的故障或损坏会导致污染物排放的急剧增加，而这些部件的效能在车辆使用过程中会不断降低甚至损坏。如何及时检测这些部件的性能并提示驾驶员相关故障信息，使车辆及时得到养护和维修，通常使用车载自动诊断OBD(On Board Diagnosis)系统。

车载自动诊断OBD系统的主要工作方式就是首先识别排放部件的故障，发现故障后通过仪表板的故障指示器通知驾驶员，然后把故障诊断的相关信息存储在电控单元的存储器中。这些信息通过相应的设备，即扫描工具或者安装了相应软件的计算机连接到车载自动诊断接口读取，最后发送给车管部门或车辆故障维修中心来方便及时的检测汽车废气排放部件是否正常，以便采取相应措施达到环保要求，且避免因未及时发现车辆故障而引起的不良后果。由于车载自动诊断OBD系统可以连续监控污染物的排放水平，及时地显示故障，其提供的故障相关信息便于故障的定位和修复，从而能有效的控制汽车在使用中的排放水平以及为车辆的保养和维修提供便利的手段。

目前，车载自动诊断OBD系统通常都是通过无线数据传输或者有线网络数据传输方式把车载自动诊断OBD获取的信息发送给有关部门，则不可避免的有传输错误或人为篡改数据的可能，这将影响车管部门或车辆故障维修中心对所获取的数据信息做出正确判断，从而造成不良后果。

发明内容

本发明提供一种基于RSA加密和签名算法的汽车车载自动诊断方法，其目的在于克服上述不足之处，通过RSA加密算法对数据信息进行加密并用RSA签名方案对待发送的数据进行签名，以保证车载自动诊断OBD系统检测的数据信息的安全性和真实性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于RSA加密和签名算法的汽车车载自动诊断方法，其创新在于：以车载自动诊断OBD系统为基础，包含以下处理：

(1)数据采集

通过车载自动诊断OBD系统中采集设备的数据连接口，将汽车的车载自动诊断数据data读出，所述数据data包含采集时间、车辆基本信息以及污染物排放水平信息；

(2)数据加密和签名

a)利用车主A的加密私钥A_private对所述数据data进行第一次RSA加密运算得到第一加密密文E_Aprivate(data)；

b)利用车辆监管维修部门B的加密公钥B_public对第一加密密文E_Aprivate(data)以及车主A的加密公钥A_public进行第二次RSA加密运算得到第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]；

c)利用车主A的签名私钥A_private’对车辆基本信息中所包含的发动机编号ID以及第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]进行RSA签名运算得到签名密文DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}；

(3)数据传送

利用传输设备，通过无线或有线传输方式将车主A的发动机编号ID、第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]以及签名密文DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}一起传送到车辆监管维修部门B；

(4)数据解密和签名验证

a)车辆监管维修部门B从车主A传送来的数据信息中提取出签名密文DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}，并且利用车主A的签名公钥A_public’对车主A的签名密文DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}进行验证，即计算ES_Apublic’【DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}】，得到车主A的发动机编号ID以及第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]，将验证得到的发动机编号ID与传送来的数据信息中含带的发动机编号ID进行比对，如果比对结果不一致说明车主A传送来的数据信息出错或被篡改，如果比对结果一致则进入下一步数据解密；

b)利用车辆监管维修部门B的解密私钥B_private对第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]进行第一次RSA解密运算得到第一加密密文E_Aprivate(data)以及车主A的加密公钥A_public；

c)车辆监管维修部门B再利用第一次RSA解密运算得到的车主A的加密公钥A_public对第一加密密文E_Aprivate(data)进行第二次解密运算得到车载自动诊断数据data；

d)将第二次解密运算得到车载自动诊断数据data中含带的发动机编号ID与传送来的数据信息中含带的发动机编号ID进行比对，如果比对结果不一致说明车主A传送来的数据信息出错或被篡改，如果比对结果一致则说明车辆监管维修部门B收到的所有数据都是车主A传送过来的，其中包含车载自动诊断OBD系统中采样设备采集到的关于车辆尾气排放情况及其发动机状况的数据；

(5)数据分析

车载自动诊断OBD系统对车主A的车辆尾气排放情况及其发动机状况的数据进行分析得出相应的诊断结果。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述“OBD”是英文On-Board Diagnostics的缩写，中文翻译为“车载自动诊断系统”。这个系统将从发动机的运行状况随时监控汽车是否尾气超标，一旦超标，会马上发出警示。当系统出现故障时，故障(MIL)灯或检查发动机(Check Engine)警告灯亮，同时动力总成控制模块(PCM)将故障信息存入存储器，通过一定的程序可以将故障码从PCM中读出。根据故障码的提示，维修人员能迅速准确地确定故障的性质和部位。

从20世纪80年代起，美、日、欧等各大汽车制造企业开始在其生产的电喷汽车上配备OBD，初期的OBD没有自检功能。比OBD更先进的OBD-II在20世纪90年代中期产生，美国汽车工程师协会(SAE)制定了一套标准规范，要求各汽车制造企业按照OBD-II的标准提供统一的诊断模式，在20世纪90年末期，进入北美市场的汽车都按照新标准设置OBD。

OBD-II与以前的所有车载自诊断系统不同之处在于有严格的排放针对性，其实质性能就是监测汽车排放。当汽车排放的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)或燃油蒸发污染量超过设定的标准，故障灯就会点亮报警。

虽然OBD-II对监测汽车排放十分有效，但驾驶员接受不接受警告全凭“自觉”。为此，比OBD-II更先进的OBD-III产生了。OBD-III主要目的是使汽车的检测、维护和管理合为一体，以满足环境保护的要求。OBD-III系统会分别进入发动机、变速箱、ABS等系统ECU(电脑)中去读取故障码和其它相关数据，并利用小型车载通讯系统，例如GPS导航系统或无线通信方式将车辆的身份代码、故障码及所在位置等信息自动通告管理部门，管理部门根据该车辆排放问题的等级对其发出指令，包括去哪里维修的建议，解决排放问题的时限等，还可对超出时限的违规者的车辆发出禁行指令。因此，OBD-III系统不仅能对车辆排放问题向驾驶者发出警告，而且还能对违规者进行惩罚。

据了解，国内合资汽车厂近年来引进的一些车型在欧洲也有生产销售，它们本身就配备有OBD并达到了欧III甚至欧IV标准，国产后往往会减去或关闭OBD，一方面是节约成本，也为了避免在油品质量不达标的情况下因OBD报警而引发麻烦。

2、上述方案中，所述“OBDII标准化的16针数据连接口DLC”是指车载自动诊断OBD系统中的采样设备携带的数据连接口，这个数据连接口安装在汽车上。

3、上述方案中，RSA算法是现有技术，这种算法能同时用于加密和数字签名的算法，它由RSA加密算法和RSA签名算法两部分组成，算法的名字以发明者的名字命名：Ron Rivest，AdiShamir和Leonard Adleman。RSA算法是一种非对称密码算法，所谓非对称，就是指该算法需要一对密钥，使用其中一个加密，则需要用另一个才能解密。RSA是被研究得最广泛的公钥算法，从提出到现在已近二十年，经历了各种攻击的考验，逐渐为人们接受，普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。

4、上述方案中，出现了很多表达式，比如：

第一加密密文的表达式为：E_Aprivate(data)；

第二加密密文的表达式为：E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]；

签名密文的表达式为：DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}等。

上述表达式的通式和含义为：密文_密钥(被加密数据1，被加密数据2，被加密数据3)。其表达的含义是利用密钥对被加密数据进行RSA加密运算得到密文。其中，被加密数据可以是一个普通数据，也可以是一个密文数据。

5、上述方案中，所述“车辆监管维修部门B”是一种上位概念，其中包含车辆监管部门以及车辆维修部门等。

6、上述方案中，可以在所述数据采集后将采样到的车载自动诊断数据data转换为通用的文本格式数据data，并通过终端设备及时显示车辆尾气排放情况及其发动机状况。这样车主可以通过显示的信息直观了解车辆尾气排放情况及其发动机状况。

7、上述方案中，所述“将该密文存储于系统自带的非挥发存储设备中”其目的是要保证在突然掉电或在数据传输时拔出该设备的情况下，数据会保留在该设备中而不被破坏。

8、上述方案中，为了防止车主A自身修改采集的数据data，可以将车主A的加密私钥A_private嵌入到采集设备中，只让车主A知道加密公钥A_public。车主A还必需私藏A_public和A_private’，而且加解密的密钥对和签名的密钥对不能相同。

本发明安全性分析如下：

a)对于攻击者而言，若攻击者得到了第一加密密文E_Aprivate(data)，但其没有车主A的加密公钥A_public所以无法得到data。而攻击者在传输过程中截获了车主A发往车辆监管维修部门B的数据，如车主A的发动机编号ID和第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]，因其没有车辆监管维修部门B的私钥，他只能知道车主A的发动机编号ID，具体发送的数据data无法知道。若攻击者想伪造第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]则必须知道车主A的签名私钥A_private’，否则无法通过车辆监管维修部门B的身份验证，这也是不可能做到的。

b)对于车辆监管维修部门B而言，若想伪造一个新的数据data记为new_data，也必须知道车主A的签名私钥A_private’，因为若能伪造一个new_data，也即E_Bpublic[E_Aprivate(new data)，A_public]＝E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]，而E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]＝E_Aprivate(data)^Apublic mod n，E_Aprivate(data)＝data^Aprivate mod n，这也就是说明E_Bpublic[E_Aprivate(new data)，A_public]和E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]相等的话，且仅当new_data＝data，即伪造失败。

c)对于车主A而言，因车主A并不知道A_private，因此也无法伪造数据data。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明基于RSA加密和签名算法的OBD系统，使车主A向车辆监管维修部门B传送的数据是经过加密后的密文，使相关的数据信息的安全性得到了很大的提高。

2、本发明通过使用RSA签名算法对发送的数据进行了签名，因此车辆监管维修部门B根据所得到的数据信息能正确的判断出传输的数据是否有错或是否有人为的篡改，并能准确的知道是哪辆车发送的数据，因此能更有针对性的对车主A提供更加准确和高效的改进措施，从而避免由于对所获取的数据的错误判断所带来的不良后果。

3、本发明通过对采集的数据立即进行加密，任何人所获取的采集数据也都是密文，只有车主A能显示采集数据，但无法伪造数据，从而避免了一些人为的篡改。

4、本发明通过用车主A自己的私钥对自己的ID和E_Bpublic(E_Aprivate(data)，A_public)进行数字签名后再发送给车辆监管维修部门B，当车辆监管维修部门B通过身份验证之后车主A无法否认数据是自己所发送的这一事实。

5、本发明对OBD系统的数据采集和数据传输过程进行了特别的改进和设计，发明了基于RSA加密和签名算法的车载自动诊断方法。该发明能够很好的实现上面分析的情况，使得传输的数据的安全性得到了很大的提高，并使数据分析更加准确和更有针对性。从而使整个OBD系统能够更加稳定和安全的运行。

附图说明

附图1为本发明系统存储OBD数据框图。图中显示在OBD系统的数据采集过程中对所采集的数据进行加密，而在数据发送之前对其进行签名。

附图2为本发明系统传送OBD数据框图。图中显示当车辆监管维修部门B收到数据之后首先进行签名验证和数据完整性的判断，从而准确的做出判断。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：一种基于RSA加密和签名算法的汽车车载自动诊断OBD系统及方法

第一部分：车载自动诊断OBD系统

(1)系统总体设计：

附图1是该系统存储OBD数据的结构框图，附图2是该系统接收OBD数据的结构框图。在存储OBD数据的系统结构中，对相关的数据信息进行加密和签名计算，从而保证所采集数据的完整性，安全性和唯一性。在接收OBD数据的系统结构中，对接收的相关数据信息进行签名验证和解密，从而能保证接收的信息是准确和有意义的。

(2)存储OBD数据的结构设计

如图1所示，本发明系统通过OBDII标准化的16针数据连接口DLC将汽车污染物的排放水平以及采集的时间等一些基本的相关信息进行采集，并转化为通用的文本格式数据data。为了数据的完整性可将所采集的文本格式的数据data加密后的密文存储于系统自带的flash设备中，从而在系统掉电的时候还能保持数据的完整性。即使flash中的数据被窃取之后仍得不到正确的数据data，因为窃取者得到的是密文，没有车主A私藏的密钥A_public。当车主A要发送数据到车辆监管维修部门B时，必须经过车主A自己签名的私钥A_private’对发送的相关数据进行签名，从而使得车主A无法否认自己所发送的数据的真实性。对于其他的外设USB或SD/MMC等相关设备所获取的信息要么是从flash设备中读取的采集数据的密文，要么是经过车主A签名后的相关密文，都无法直接得到正确的采集数据data，从而保证存储OBD数据的结构的设计是安全的。

(3)接收OBD数据的结构设计

如图2所示，车辆监管维修部门B通过无线传输设备或有线的网络设备得到车主A发送过来的相关信息，然后采取如下步骤对所获取的数据信息进行分析并给出相关改进措施。

a)对所接收到的数据进行完整性和车主的身份签名验证；

b)对密文进行解密；

c)给出相关的建议或措施。

第二部分：基于RSA加密和签名算法的汽车车载自动诊断方法

该方法以车载自动诊断OBD系统为基础，包含以下处理：

(1)数据采集和转换

通过OBDII标准化的16针数据连接口DLC，将汽车的车载自动诊断数据data读出，所述数据data包含采集时间、车辆基本信息以及污染物排放水平信息。在此可以将采样到的车载自动诊断数据data转换为通用的文本格式数据data，并通过终端设备及时显示车辆尾气排放情况及其发动机状况。这样车主可以通过显示的信息直观了解车辆尾气排放情况及其发动机状况。

(2)数据加密和签名

a)利用车主A的加密私钥A_private对所述数据data进行第一次RSA加密运算得到第一加密密文E_Aprivate(data)，并将该密文存储于系统自带的非挥发存储设备中。

b)利用车辆监管维修部门B的加密公钥B_public对第一加密密文E_Aprivate(data)以及车主A的加密公钥A_public进行第二次RSA加密运算得到第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]。

c)利用车主A的签名私钥A_private’对车辆基本信息中所包含的发动机编号ID以及第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]进行RSA签名运算得到签名密文DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}。

(3)数据传送

利用传输设备，通过无线或有线传输方式将车主A的发动机编号ID、第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]以及签名密文DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}一起传送到车辆监管维修部门B。

(4)数据解密和签名验证

a)车辆监管维修部门B从车主A传送来的数据信息中提取出签名密文DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}，并且利用车主A的签名公钥A_public’对车主A的签名密文DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}进行验证，即计算ES_Apublic’【DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}】，得到车主A的发动机编号ID以及第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]，将验证得到的发动机编号ID与传送来的数据信息中含带的发动机编号ID进行比对，如果比对结果不一致说明车主A传送来的数据信息出错或被篡改，无法判断这是车主A以ID的身份发过来的数据，从而要求车主A重新发送数据或者拒绝提供相关的措施和建议。如果比对结果一致则进入下一步数据解密。

b)利用车辆监管维修部门B的解密私钥B_private对第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]进行第一次RSA解密运算得到第一加密密文E_Aprivate(data)以及车主A的加密公钥A_public。

c)车辆监管维修部门B再利用第一次RSA解密运算得到的车主A的加密公钥A_public对第一加密密文E_Aprivate(data)进行第二次解密运算得到车载自动诊断数据data。

d)将第二次解密运算得到车载自动诊断数据data中含带的发动机编号ID与传送来的数据信息中含带的发动机编号ID进行比对，如果比对结果不一致说明车主A传送来的数据信息出错或被篡改，如果比对结果一致则说明车辆监管维修部门B收到的所有数据都是车主A传送过来的，其中包含车载自动诊断OBD系统中采样设备采集到的关于车辆尾气排放情况及其发动机状况的数据。

(5)数据分析

车载自动诊断OBD系统对车主A的车辆尾气排放情况及其发动机状况的数据进行分析得出相应的诊断结果。车辆监管维修部门B得到正确的车辆尾气排放情况以及车辆的相关信息后给出相应的应对措施或者相关建议并及时的通知车主，从而避免相关事故或其他不良的后果。

本实施例中，为了防止车主A自身修改采集的数据data，可以将车主A的加密私钥A_private嵌入到采集设备中，只让车主A知道加密公钥A_public。车主A还必需私藏A_public和A_private’，而且加解密的密钥对和签名的密钥对不能相同。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种基于RSA加密和签名算法的汽车车载自动诊断方法，其特征在于：以车载自动诊断OBD系统为基础，包含以下处理：

(1)数据采集

(2)数据加密和签名

(3)数据传送

(4)数据解密和签名验证

a)车辆监管维修部门B从车主A传送来的数据信息中提取出签名密文DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}，并且利用车主A的签名公钥A_public’对车主A的签名密文DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}进行验证，即计算ES _Apublic’【DS_Aprivate’{ID，E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]}】，得到车主A的发动机编号ID以及第二加密密文E_Bpublic[E_Aprivate(data)，A_public]，将验证得到的发动机编号ID与传送来的数据信息中含带的发动机编号ID进行比对，如果比对结果不一致说明车主A传送来的数据信息出错或被篡改，如果比对结果一致则进入下一步数据解密；

(5)数据分析

2、根据权利要求1所述的汽车车载自动诊断方法，其特征在于：在所述数据采集后将采样到的车载自动诊断数据data转换为通用的文本格式数据data，并通过终端设备及时显示车辆尾气排放情况及其发动机状况。

3、根据权利要求1所述的汽车车载自动诊断方法，其特征在于：将车主A的加密私钥A_private嵌入到采集设备中。