動態(tài)密鑰在Mifare射頻IC卡識別系統(tǒng)中的應(yīng)用

文章出處：http:// 作者：謝高生 易靈芝 王根平   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月29日

    0 引言

    射頻識別(Radio Frequency Identification， 以下簡稱RFID)技術(shù)是利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信并交換數(shù)據(jù)，以達(dá)到識別目的。與傳統(tǒng)的條碼或磁條識別技術(shù)相比，RFID技術(shù)具有非接觸、精度高、作用距離遠(yuǎn)、可動態(tài)識別多個數(shù)據(jù)及應(yīng)用環(huán)境適用性較好等優(yōu)點(diǎn)，在自動化眾多領(lǐng)域中得到了很好的應(yīng)用與發(fā)展。

   Mifare射頻IC卡在硬件本身上具有比較強(qiáng)的安全機(jī)制，但射頻IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的開放性使它更容易越廣泛，由于在最初的RFID應(yīng)用設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，沒有考慮安全問題，導(dǎo)致安全問題日益凸顯，已經(jīng)成為制約RFID應(yīng)用的重要因素?；诖?，針對RFID系統(tǒng)中射頻IC卡密鑰的使用單一、過于簡單等受到攻擊，人們可以輕易地對卡進(jìn)行細(xì)致分析研究， 因此安全問題就稱為IC卡應(yīng)用中的一個重要問題。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步以及生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，RFID產(chǎn)品的成本不斷降低，其應(yīng)用也越來越暴露出本身缺點(diǎn)。本文結(jié)合TEA加密算法，引入動態(tài)密鑰方案，使得射頻IC卡操作一次，其應(yīng)用扇區(qū)密鑰實(shí)時更新一次，從而大大增強(qiáng)了RFID系統(tǒng)的安全性能。

    1 Mifare射頻IC卡中的密鑰使用及權(quán)限設(shè)置

    射頻IC卡分為16個扇區(qū)，每區(qū)有4塊(塊0～塊3)，共64塊，按塊號編址為0～63。第0扇區(qū)的塊0(即絕對地址塊0)用于存放芯片商、卡商相關(guān)代碼，塊1、塊2位數(shù)據(jù)塊。其他扇區(qū)的塊0、塊1、塊2為數(shù)據(jù)塊，用于存貯用戶數(shù)據(jù)；各個扇區(qū)的塊3為各扇區(qū)控制塊，用于存放密鑰A、存取控制條件設(shè)置、密鑰B。各區(qū)控制塊結(jié)構(gòu)相同，如表1所示。

    表1 各扇區(qū)控制塊3結(jié)構(gòu) 

    (注：KeyA／B表示密鑰A或密鑰B，Never表示任何條件下都不能實(shí)現(xiàn))

   每個扇區(qū)的密鑰和存取控制都是獨(dú)立的，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定各自的密鑰及存取控制。扇區(qū)中每個塊的存取條件都是由密鑰和存取控制共同決定的，在存取控制中每個塊都有相應(yīng)的三個控制位，三個控制位以正和反兩種形式存在于控制字節(jié)中，決定了該塊的訪問權(quán)限。數(shù)據(jù)塊的存取控制條件如表2所示。

    射頻IC卡片中的其他扇區(qū)由于其有各自的密鑰，因此不能對其進(jìn)行進(jìn)一步的操作，如果想對其他扇區(qū)進(jìn)行操作，必須完成各自的密鑰認(rèn)證。認(rèn)證過程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯，整個認(rèn)證將告失敗，必須從新開始。

    2 TEA加密算法

    極小加密算法(Tiny Encrypt Algorithm，簡稱TEA)是一種極為簡單的對稱加密算法，運(yùn)用比較普遍，簡單、高速、有效，以加密解密速度快、實(shí)現(xiàn)簡單著稱。它不是通過算法的復(fù)雜性來提供安全保障，而是依賴加密的輪數(shù)。TEA算法最初是由劍橋計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的David Wheeler和Roger Needham在1994年設(shè)計(jì)的，該算法采用一個128位的密鑰來加密64位的數(shù)據(jù)明文，能產(chǎn)生一個64位的密文，具有較好的抗差分性能。TEA算法使用了一個神秘常數(shù)δ作為倍數(shù)，其來源于黃金比率，以保證每一輪加密都不相同，TEA把它定義為(即為下面算法描述中的0x9E3779B9)。下面對TEA算法的實(shí)現(xiàn)分加密和解密兩個過程進(jìn)行描述，加密輪數(shù)為32輪。

     2．1 TEA加密

    利用128位密鑰對64位的明文數(shù)據(jù)進(jìn)行加密得到64位的密文數(shù)據(jù)，過程如下：

    (1)初始化：

    64位的明文數(shù)據(jù)分為兩部分x 和 y，每部分各占32位；Delta←0x9E3779B9；

    Sum←0；；128位的密鑰分為4個部分：a、b、c、d，每部分各占32位。

    (2)對明文數(shù)據(jù)進(jìn)行32次循環(huán)迭代計(jì)算： 

   
    2．2 TEA解密

    利用128位密鑰對64位的密文數(shù)據(jù)進(jìn)行解密得到64位的明文數(shù)據(jù)，過程如下：

    (1)初始化：

    64位的明文數(shù)據(jù)分為兩部分x和Y，每部分都為32位；Delta ←Ox9E3779B9；Sum←Delta< 5；128位的密鑰分為4個部分：a、b、c、d，每部分都為32位。

    (2)對密文數(shù)據(jù)進(jìn)行32次循環(huán)迭代計(jì)算： 

    (3)合并解密結(jié)果：
    r(0)←x
    r(1)←y

    在TEA算法中：<<為向左移位；>>為向右移位；⊕為異或邏輯運(yùn)算。TEA算法迭代次數(shù)為32輪，實(shí)際上，TEA加密算法的迭代次數(shù)是可以改變的，32輪迭代很充分，16輪就足夠。

    TEA加密算法實(shí)現(xiàn)相當(dāng)簡單， 速度比DES算法(Data Encryption Standard，簡稱DES，一種數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)的對稱分組密碼算法)要快3倍，加密密鑰128位，加密強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DES算法。另外，TEA也沒有DES那樣的轉(zhuǎn)換矩陣，占用存儲空間較少，而且可以采用DES模式運(yùn)行，是一種很有前途的低成本加密算法。

    3 動態(tài)密鑰

    Mifare射頻IC卡在實(shí)際應(yīng)用中多使用“一卡一密”的方案，也就是一張卡片每個應(yīng)用扇區(qū)固定一個密鑰。Desfire MF3D40型號的卡也是采用這個方案，使用卡片唯一的序列號對系統(tǒng)主密鑰進(jìn)行分散，得到不同的密鑰，然后寫入卡中作為卡片的主密鑰。盡管可以為系統(tǒng)提供一定的安全保護(hù)，但隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，攻擊者的力量也越來越強(qiáng)，尤其是在用戶卡的密鑰長度不夠的情況下，用戶卡受到攻擊是很容易的。因此，本文提出動態(tài)密鑰的方案，結(jié)合TEA加密技術(shù)，提高系統(tǒng)安全性能。

    3．1 基本原理
   
    動態(tài)密鑰的基本思想是在保持系統(tǒng)主密鑰不變的情況下，每讀一次用戶卡就使用本次通信中產(chǎn)生的數(shù)據(jù) 動態(tài)改寫用戶卡密鑰一次，以此來確保用戶卡的密鑰不斷更新，從而不被破解。數(shù)據(jù)A可以為當(dāng)前通信時間、操作機(jī)具體標(biāo)識或者隨機(jī)數(shù)的組合。

    3．2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    基于TEA加密算法的動態(tài)密鑰在Mifare射頻IC卡識別系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程如下：本設(shè)計(jì)選用隨機(jī)數(shù)作為數(shù)據(jù) (6字節(jié))，系統(tǒng)主密鑰為UK(6字節(jié))，用戶卡密鑰SK(6字節(jié))，射頻卡序列號SN(4字節(jié))，通過下列計(jì)算過程得到動態(tài)密鑰SK’。 

    式(5)中：奇偶填充是指分別計(jì)算序列號SN的奇數(shù)值(1的個數(shù))和偶數(shù)值(0的個數(shù))，然后將這兩個字節(jié)的值填充至序列號的后面作為低位，使得SN為6個字節(jié)。在本次交易中產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)A (明文數(shù)據(jù))經(jīng)TEA加密存人事先協(xié)議好的射頻IC卡共享扇區(qū)，下次操作時，經(jīng)TEA解密提取A，然后就可以計(jì)算出用戶卡的密鑰，其過程如下： 

    式(6)中，同樣的方法將明文隨機(jī)數(shù) A 用奇偶填充至8個字再TEA加密成密文A進(jìn)行存儲。 

    動態(tài)密鑰的流程框圖如圖1所示。 

圖1基于TEA的動態(tài)密鑰實(shí)現(xiàn)流程

    4 試驗(yàn)結(jié)果

    本試驗(yàn)選用Microchip公司的一款中檔型8位閃存單片機(jī)PIC16F873A，外部晶振頻率11．0592MHz， 在MPLAB IDE開發(fā)環(huán)境下，采用C語言編程進(jìn)行試驗(yàn)測試。下面給出一組試驗(yàn)結(jié)果：

    系統(tǒng)主密鑰UK：0x43d63c72a59e(6Byte)
    卡序列號SN：0xaa03230c(4Byte)
    隨機(jī)數(shù)A：0x3f862b3d75 1 8(6Byte)
    奇偶填充序列號得SN^, ：0xaa03230c0bl5
    計(jì)算得到動態(tài)密鑰SK ：0xe9d5 lf7eae8b
    奇偶填充隨機(jī)數(shù) 得到明文隨機(jī)數(shù)包：0x3f862b3d75181917 

    TEA加密密鑰(分a，b，c，d四部分)：

    a=0x56c7f235；b=0xa2l6589c；
    c=0xb4386ae5；d=0xbc675a17． 
    經(jīng)TEA加密隨機(jī)數(shù)A得到密文隨機(jī)數(shù)包： 
    0x9d968a5e0f79e787經(jīng)過TEA解密算法，可以成功還原隨機(jī)數(shù)A。試驗(yàn)證明：加解密速度可達(dá)21．3kb／s，本設(shè)計(jì)的隨機(jī)數(shù)A加解密只費(fèi)時約375μs。這樣的速度對系統(tǒng)運(yùn)行影響很少，加上TEA算法的高可靠性，確保了系統(tǒng)的實(shí)時性和通信安全。

    5 結(jié)束語

    RFID射頻識別系統(tǒng)正贏得越來越廣泛的應(yīng)用，在一定程度上安全敏感應(yīng)用的滲透必然離不開系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的要求。本文從射頻識別系統(tǒng)的安全性需求出發(fā)，提出了基于TEA加密算法的動態(tài)密鑰設(shè)計(jì)方案，并對其進(jìn)行了試驗(yàn)仿真具體實(shí)現(xiàn)，另外我們已經(jīng)將該方案成功地應(yīng)用于停車場管理系統(tǒng)中的車用RFID系統(tǒng)中，經(jīng)過試驗(yàn)和實(shí)踐都證明其具有很好的實(shí)時性，大大提升了射頻識別系統(tǒng)的安全性能。

    (文/湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，謝高生 易靈芝 王根平)