无线存取控制安全性的发展(二)

当今的嵌入式微控制器整合度更高、效能更佳，成本却降低许多，10年前只能透过专用集成电路(ASIC)实现的解决方案，如今可藉由高性价比的微控制器得到实现。这些微控制器支持更高级的安全加密演算法，并且在开发时间上缩短许多；另外，当今的微控制器还包含内建振荡器和其他整合功能元件，有助于减少元件数，有效降低无线解决方案的总成本。

微控制器使无线产品的开发更加容易，透过采用高端语言(如C语言)编写的支持，能为大部分的加密演算法软件模块提供更高级别的安全性；明显简化了安全无线应用的开发工作，只要稍加修改便可满足瞬息万变的消费者市场需求。

嵌入式微控制器行业中，另一项有助于无线设计的改进重点在于「降低功耗」；例如，降低微控制器在执行应用程序或处于不活动休眠状态所需的功耗量，以采用超低功耗(XLP)技术的Microchip PIC微控制器(MCU)为例，其休眠电流可减少至20nA。这些新的低功耗元件可协助系统设计人员创建更小、更紧凑的可携式手持设备，延长较小电池的运行时间。

RF发送器、接收器或收发器的的整合已大有进步，足以缩短产品上市时间，这些元件将所需的RF电路整合在单一半导体元件中，降低了RF设计上的复杂度；新一代RF集成电路元件仅需要一些基本的外部元件，便能完全实现高效能RF无线应用。此外，这些元件通常具有1个SPI界面，方便与微控制器相连结；微控制器采用合适的设定值后会对无线RF进行设定并发送/接收实际解调的数据封包。

影响无线解决方案的设计因素

影响无线解决方案的最终设计因素有许多，以下列举了在设计低成本移动无线产品时必须评估和了解的因素。

设计复杂度：结合高级嵌入式微控制器、整合RF元件和高级安全加密演算法等技术，设计人员便能轻松地开发出完整的无线解决方案，并提供合适的安全级别。采用高整合度微控制器和整合RF IC元件，因简化了工厂的生产流程与印刷电路板上所需的零件数，显着降低了当今无线解决方案的成本和复杂性。

解决方案的成本：有时，选择合适的安全级别是相当艰钜的，甚至，所选的安全级别并不是可用解决方案中最强的。从上述内文中可知，设计人员要能充分了解试图保护的内容，才能决定使用何种安全解决方案，此决定将进一步影响设计成本。

相较于ASIC的解决方案，微控制器的解决方案更加灵活，若有更改需求，设计人员只需修改在微控制器上运行的软件即可实现；这样的设计充分展现其灵活性，在相同的硬件设计下仅需对程序码进行一些微小的更改，便可支持多个国家或地区的法规。透过简单地更改软件，设计人员可针对不同区域别分别配置无线RF芯片；此外，透过加密库，设计人员可轻松为终端用户提供其他安全选项。

设计易于使用：设计安全解决方案最容易犯的错误是设计得过于复杂，设计上保持简单并维持用户使用的便利性才是设计安全解决方案的最好方式；过于复杂或麻烦，都会对消费者造成负面影响。无线系统的设计宗旨，就是要让用户感觉到便利，由其是相较于直接靠近受控端来进行操作；若掏出口袋中的钥匙来开车门比直接按钥匙扣上的按钮来得方便，那麽就完全偏离设计目标。

让安全系统保持简单的另一个理由是：越复杂便越难透过测试被找出弱点的所有可能组合，当然，做的测试越少，未能完全确定系统内所有弱点的机率就越高。遗憾的是，即使您使用的是目前最强的安全演算法，安全强度也仅与系统中最薄弱的环节一样；举例来说，在车辆警报系统中，如果单单只是使用很强的安全演算法加密锁定和解锁信息，但不在每次传输时更改信息，或者没有更改足够多的信息，那麽小偷也可轻松捕捉到这些信息并重放，即使不知道您所使用的演算法或密钥，仍能进入车辆。

考量物理尺寸：通常，RKE单元由1个小的CR2032钮扣电池供电，这些钮扣电池仅有约200–240 mAh的电量，为了要让该元件能在正常的日常使用情况下持续使用3至5年，此类设计的元件(如XLP PIC微控制器)便非常关键。设计时，对这类携带式遥控器(且许多时候甚至是主控元件)的实际尺寸有所限制，例如，发射器电路必须能放入1个已预定形状和外形的小钥匙扣中，因为这些电路频率相对较低，将天线放入如此小的空间可能是项设计挑战。

选择RF频段、数据调整方案和效能：使用频率的选择主要取决于应用和法规，以美国为例，工业、科学和医学(ISM)频段为315 MHz和915 MHz，在欧洲，ISM频段为433MHz和868MHz。另外，无线连结所能覆盖的距离也有相关要求，典型的RKE应用要求至少20米，且有时有最大距离要求；例如日本的RF法规较严格，最大覆盖范围仅为5米。

最常见被错误理解的是：发送器可提供的最大范围是多少？在评估覆盖范围时，设计人员应牢记发送器和接收器同样重要，即便发送器的信号微弱，良好的天线设计可显着提高接收能力。

RF调整方案和数据速率对无线连结的可靠性也有很大的影响；调频无线连结较少产生杂讯但会增加成本，更高级的无线双向通讯连结则是在遥控器及固定式主机的部分造成成本的上升。然而，随着整合RF发送器和接收器的发展，这些元件往往与低成本混合RF模块位于同一价格区间，最新的RF元件可同时充当发送器和接收器，使双向通信成为可能。

选择微控制器：设计人员在选择微控制器时，应考虑芯片内建程序储存和数据储存容量，选择最适合应用的微控制器。板上带有加密模块，固然会有帮助，但模块需要成本，因此，采用软件实现方案有时候反而是更好的选择。如果加密演算法可用软件轻松实现，那麽这将是一个更可取的解决方案，它为设计人员提供更广泛的微控制器挑选范围；此外，接收器通常会被融入较大的应用中，例如汽车防盗器或车库门遥控开关。有时，发送器本身就是一个较大的应用电路组成，如图形键盘界面，微控制器必须提供足够的存储器来容纳主应用程序和安全无线连结软件。

下周的物联网专辑，将针对无线传输的系统安全解决方案，做更进一步的介绍。(本文作者为Microchip Technology安全、MCU与技术开发部门应用总监Vivien Delport、应用工程师Cristian Toma，周维棻整理)