CN201402475Y - 一种具有独立安全控制模块的电子收费车载单元 - Google Patents

Abstract

一种应用于公路电子收费系统、自动车辆识别和车辆出入管理的具有独立安全控制模块的电子收费车载单元，符合现行国家标准。该车载单元包括CPU主控模块、DSRC微波通信模块、IC卡接口模块、ESAM模块、电源模块、人机界面模块和外围电路模块，该设备在现有的电子收费车载单元的基础上通过增加嵌入式ESAM模块及对应用软件的改进与创新，从而在电子收费车载单元中提供了安全的硬件平台以存储密钥和重要数据，其加解密运算全部在内部完成，仅将结果输出，电子收费车载单元的数据存取以及密钥的安全认证过程与电子收费车载单元中CPU主控模块功能无关。这样既实现系统的安全性由运行管理方控制，又不妨碍车载单元生产厂家继续发展和完善车载单元的功能和性能。

Description

一种具有独立安全控制模块的电子收费车载单元

技术领域：

本实用新型属于智能交通技术领域，特别涉及一种应用于公路电子收费系统、自动车辆识别、车辆出入管理和城市道路收费系统的，具有增强安全性设计的，符合国家标准GB/T 20851-2007的电子收费车载标签。

背景技术：

从上世纪90年代末开始，全国高速公路的从单条高速公路建设过渡到高速公路网的建设，从而提出了高速公路联网收费，在2000年，交通部正式要求各省市高速公路按区域联网收费，此后全国开始了大规模展开了高速公路联网收费的建设。

按照交通部《高速公路联网收费暂行技术要求》，我国高速公路普遍采用封闭式收费制式，各省市在联网收费系统中，大部分采用了基于IC卡作为通行券的人工半自动收费(MTC)方式。但是随着经济的发展，这种收费方式已经逐渐不能满足日益增长的庞大车流对收费道口通过能力的要求。解决收费拥堵已成了高速公路排堵保畅的首要任务，而电子不停车收费(ETC)方式是提高收费车道通行能力缓解收费拥堵的一种有效手段。因此，我国的部分地区也进行了ETC的开发和试点。

ETC是近年来许多国家积极开发并大力推广的用于路桥隧及城市道路收费的先进技术，该系统利用安装在汽车上的车载单元，通过专用短程通信协议与设置在收费车道上的路侧天线单元进行无线收费交易，自动完成收费处理过程。不停车、无人操作和无现金交易是ETC系统的三个主要特点。

在我国，基于“车载单元+IC卡”的组合式ETC电子收费将成为高速公路收费方式的发展趋势。由于用户的信息和通行费支付都是通过用户手中的车载单元和插入在车载单元中的IC卡电子钱包进行传输的，用户的分布又是一个十分复杂分散的群体，因此如何保证用户信息的传递安全性和电子钱包的安全性已经变成一个十分重要的问题。这个问题解决的好坏，将直接影响ETC系统的推广使用。

本电子收费车载单元是用于不停车收费的专用设备，该设备在现有的电子收费车载单元的基础上通过增加嵌入式安全控制模块(ESAM模块)及对应用软件的改进与创新，实现了系统安全认证与车载单元中应用程序分离，有效解决了目前电子收费车载单元中可能存在的恶意后门程序盗用密钥或者篡改用户数据的问题，从而更大限度地保证了ETC交易的安全性。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种增强安全性设计的电子收费车载单元。该设备在现有的电子收费路侧设备的基础上通过对相关硬件及应用软件的改进与创新，实现了利用一个独立的、安全的硬件平台来存储密钥和重要数据，完成车载单元与路侧设备以及与IC卡之间的相互安全认证以及数据保护工作。

根据上述实用新型意图，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种增强安全型的电子收费车载单元，包括：

——CPU主控模块：即中央控制器，它是车载单元的核心部分，一般由CPU、ROM、EEPROM、RAM等LSI器件构成，其主要功能有：完成与IC卡通信的交易数据的分析、出来和读写操作，完成与路侧设备的DSRC协议数据的分析、处理、读写操作；控制人机界面接口的数据交换；

——DSRC微波通信模块：包括微波收发天线、调制解调、编解码器，负责维持数据处理模块与路侧设备之间的专用短程微波通信操作；

——IC卡接口模块：使车载单元具有对满足ISO 14443TYPE A标准的非接触式IC卡的读写接口或者满足ISO7816标准的接触式IC卡的读写接口，负责对IC卡数据的存取操作；

——电源模块：向车载单元的外围电路模块提供能量；

——人机界面模块：用于向用户提示有关交易的执行情况，通常由LED指示灯、蜂鸣器、液晶显示单元组成；

——外围电路模块：包括电源不足的自动检测电路、温度的字段检测电路、防止车载单元被非法取下的特定检测电路等；

——ESAM模块：提供安全的硬件平台以存储密钥和重要数据，利用内置算法完成数据的加密解密、双向身份认证、访问权限控制、通信线路保护、临时过程密钥导出等多种功能，完成车载单元与路侧设备以及与IC卡之间的相互安全认证以及数据保护工作。

本实用新型的有益效果为：本车载单元设备通过增加嵌入式安全控制ESAM模块，使得系统安全认证与车载单元的CPU主控模块中应用程序分离，有效解决了目前电子收费车载单元中可能存在的恶意后门程序盗用密钥或者篡改用户数据的问题，从而更大限度地保证了ETC交易的安全性。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明。

图1是结构图

图2是ESAM结构原理图。

图3是发行流程图。

图4是双向安全认证实现流程图。

具体实施方式：

为使本发明实现的技术特征与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

图1所示，本实用新型所述的包括以下部分：CPU主控模块、DSRC微波通信模块、IC卡接口模块、ESAM模块、电源模块、人机界面模块和外围电路模块。

图2所示，ESAM模块采用专用的智能卡芯片模块封装(DIP或COB形式)，由CPU、RAM、ROM、EEPROM、RNG等组成。ESAM中操作系统是根据OBU使用方需求或者国家标准定制的嵌入式安全操作系统COS，除了具有防检测、抗攻击、自毁等硬件特性外，还具有安全的文件密钥管理，完善的安全机制、标准的加解密运算功能等特性。ESAM嵌入到OBU中，除了可作为设备的唯一标识(每个模块具有全球唯一的序列号码)，提供安全的硬件平台以存储密钥和重要数据外，还可以利用内置算法完成数据的加密解密、双向身份认证、访问权限控制、通信线路保护、临时过程密钥导出等多种功能。

(1)CPU+SL：保护EEPROM区的数据安全，防止外部非法的接入和攻击。

(2)RAM：操作系统用来存储命令参数、应答、安全状态和过程工作密钥。

(3)ROM：存储芯片操作系统COS(Chip Operation System)。

(4)EEPROM：以文件的形式存储数据和密钥，条件满足的情况下允许读写和更改。

(5)RNG：真随机数发生器，为加密认证提供随机数。

图3所示，电子收费车载单元发行的具体实施方案如下：

(1)ESAM模块厂商

模块厂商负责ESAM模块的生产，并提供给公路电子收费密钥管理及安全认证中心。

(2)ESAM初始化

公路电子收费密钥管理及安全认证中心负责完成ESAM模块的初始化工作。初始化过程中完成洗卡操作(替换模块内的主控密钥)；在模块中建好文件结构；通过发卡加密机或测试母卡向模块导入测试密钥。

(3)车载单元生产厂商

车载单元生产厂商从公路电子收费密钥管理及安全认证中心获得初始化好的ESAM模块，并封装到车载单元中。

(4)二级密钥管理中心

省(直辖市)级密钥下载中心负责采购车载单元，并以省(直辖市)为单位完成正式密钥的装载。

(5)电子收费服务提供商

电子收费服务提供商从二级密钥管理中心拿到装有正好式密钥的车载单元后，在办理服务开通业务时，对车载单元进行个人化，向ESAM中写入个人化数据。

图4所示，在实际ETC的交易流程中电子收费车载单元与路侧设备之间的双向安全认证的具体实施方案如下：

●电子收费车载单元对路侧设备的合法性认证过程

在ETC车道交易流程中电子收费车载单元对路侧设备的合法性认证，利用ESAM模块使用访问许可方式实现。一次典型的认证处理流程如下：

(1)车载单元建立与路侧设备的短程微波连接后，从车载单元的ESAM中读取系统信息文件(读取区域分散代码、合同序列号等信息)，并从ESAM中取8字节随机数RndOBU，将这些信息发送给路侧设备；

(2)路侧设备利用MasterAccessKey(主认证密钥)和ESAM系统信息文件中的区域分散代码、合同序列号分散出临时认证密钥tmpAccessKey，分散算法如下：

tmpAccessKey＝3DES(MasterAccessKey，合同序列号‖区域分散代码)

(3)路侧设备利用临时认证密钥tmpAccessKey加密RndOBU，产生访问凭证accessCredentials，算法如下：

accessCredentials＝3DES(tmpAccessK，RndOBU)

(4)路侧设备的后续指令Get_Secure.request，携带访问凭证accessCredentials，发送到车载单元；

(5)车载单元将accessCredentials送入ESAM，ESAM中使用保存在内部的AccessKey和RndOBU计算出tmpAccessCredentials，算法同第3步

(6)车载单元中的ESAM比较accessCredentials和tmpAccessCredentials是否相等，相等则赋予该路侧设备的访问许可权限，完成一次对路侧设备的合法性认证。

●路侧设备对电子收费车载单元的合法性认证过程

在ETC车道交易流程中路侧设备对电子收费车载单元的合法性认证，利用ESAM模块使用加密保护和信息鉴别方式实现。一次典型的认证处理流程如下：

(1)路侧设备产生随机数RndRSU(8字节)发送至车载单元；

(2)车载单元在ESAM中利用保存在其内部的EncryptKey对RndRSU和车辆信息文件进行计算鉴别码Authenticator。鉴别码的计算方法如下：

a)将车辆信息数据进行CRC计算(多项式X¹⁶+X¹²+X⁵+1，起始FFFFH)，产生两字节CRC0和CRC1。

b)将送入的RndRSU最低两字节分别更换为CRC1，CRC0，形成8字节临时数据tmpdata。

c)使用计算密钥对8字节数据tmpdata进行加密计算：

Authenticator＝3DES(EncryptKey，CRC0||CRC1||RndRSU(高6字节))

(3)车载单元在ESAM中利用EncryptKey对鉴别码和车辆信息进行加密得到密文EncrypFile，回送至路侧设备。

(4)路侧设备利用ESAM中系统信息文件中的区域分散代码、合同序列号和MasterEncryptKey计算出临时密钥tmpEncryptKey，算法如下：

tmpEncryptKey＝3DES(MasterEncryptKey，合同序列号||区域分散代码)

(5)路侧设备利用tmpEncryptKey对EncrypFile进行3DES解密，得到鉴别码Authenticator和车辆信息明文；

(6)路侧设备利用tmpEncryptKey，RndRSU和车辆信息明文计算临时鉴别码tmpAuthenticator；

(7)路侧设备比对Authenticator和tmpAuthenticator，如果相等则安全验证通过并取得车辆信息，不相等则安全验证失败。

以上是本实用新型的实施方式之一，对于本领域内的一般技术人员，不花费创造性的劳动，在上述实施例的基础上可以做多种变化，同样能够实现本发明的目的。但是，这种变化显然应该在本实用新型的权利要求书的保护范围内。

Claims (1)

1. 一种具有独立安全控制模块的电子收费车载单元，其特征在于，该车载单元包括：

   ——CPU主控模块：即中央控制器，它是车载单元的核心部分，一般由CPU、ROM、EEPROM、RAM等LSI器件构成，完成与路侧设备的DSRC协议数据的分析、处理、读写操作；控制人机界面接口的数据交换；

   ——DSRC微波通信模块：包括微波收发天线、调制解调、编解码器，负责维持数据处理模块与路侧设备之间的专用短程微波通信操作；

   ——IC卡接口模块：使车载单元具有对满足ISO 14443TYPE A标准的非接触式IC卡的读写接口或者满足ISO7816标准的接触式IC卡的读写接口，负责对IC卡数据的存取操作；

   ——电源模块：向车载单元的外围电路模块提供能量；

   ——人机界面模块：用于向用户提示有关交易的执行情况，通常由LED指示灯、蜂鸣器、液晶显示单元组成；

   ——外围电路模块：包括电源不足的自动检测电路、温度的字段检测电路、防止车载单元被非法取下的特定检测电路；

   ——ESAM模块：提供安全的硬件平台以存储密钥和重要数据，利用内置算法完成数据的加密解密、双向身份认证、访问权限控制、通信线路保护、临时过程密钥导出等多种功能，完成车载单元与路侧设备以及与IC卡之间的相互安全认证以及数据保护工作。

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