一種適用于RFID讀寫(xiě)器的加密算法及其實(shí)現
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：程振，劉年生,李琳，郭東輝 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月15日
隨著(zhù)電子信息技術(shù)的發(fā)展，非接觸式智能卡(如RFID卡)已經(jīng)在我們的生活中隨處可見(jiàn)。與傳統的接觸式卡、磁卡相比，利用射頻識別技術(shù)開(kāi)發(fā)的非接觸式智能卡，具有高度安全保密性和使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，正逐漸取代傳統的接觸式IC卡，成為智能卡領(lǐng)域的新潮流。然而，由于RFID系統的數據交流處于開(kāi)放的無(wú)線(xiàn)狀態(tài)，外界容易對系統實(shí)施各種信息干擾及信息盜取。
鑒于RFID系統數據交流開(kāi)放的安全性問(wèn)題，人們做了大量的研究工作，提出了很多安全機制設計方面的建議。在硬件物理實(shí)現方面，提出了如：Kill標簽、法拉第電罩等方法；在軟件系統實(shí)現方面，提出了一系列安全協(xié)議，如：Hash鎖、隨機Hash鎖、Hash鏈以及改進(jìn)的隨機Hash鎖等方法，而這些方法都是針對RFID標簽芯片的制造而設計的，對已經(jīng)大規模投入使用的智能卡而言，不具備實(shí)用性。目前在智能卡應用系統中，比較流行采用兼容ISO／IEC 14443協(xié)議的Mifare 1系列智能卡，其本身具有3次相互認證的安全協(xié)議，但其安全性仍有漏洞，有必要在它安全機制基礎上，引入一種數據加密算法來(lái)進(jìn)一步保障數據通信的安全性。TEA算法作為一種微型的加密算法，有著(zhù)簡(jiǎn)單、快速、安全性能好等特點(diǎn)，在電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛應用，例如PDA數據加密、嵌入式通信加密等領(lǐng)域，而TEA算法的廣泛使用導致產(chǎn)生了針對該算法的攻擊方法，所以有必要對TEA算法進(jìn)行改進(jìn)。
為此，本文提出利用TEA算法的改進(jìn)算法——xxTEA算法進(jìn)行RFID讀卡器與RFID智能卡之間密碼數據的動(dòng)態(tài)變換，來(lái)解決RFID系統應用中所面對的非法讀取、竊聽(tīng)、偽裝哄騙及重放等攻擊。
1 XXTEA加密算法原理
在數據的加解密領(lǐng)域，算法分為對稱(chēng)密鑰與非對稱(chēng)密鑰2種。對稱(chēng)密鑰與非對稱(chēng)密鑰由于各自特點(diǎn)，所應用的領(lǐng)域不盡相同。對稱(chēng)密鑰加密算法由于其速度快，一般用于整體數據的加密，而非對稱(chēng)密鑰加密算法的安全性能佳，在數字簽名領(lǐng)域得到廣泛應用。
TEA算法是由劍橋大學(xué)計算機實(shí)驗室的Wheeler DJ和Needham RM于1994年提出，以加密解密速度快，實(shí)現簡(jiǎn)單著(zhù)稱(chēng)。TEA算法每一次可以操作64 bit(8 byte)，采用128 bit(16 byte)作為Key，算法采用迭代的形式，推薦的迭代輪數是64輪，最少32輪。為解決TEA算法密鑰表攻擊的問(wèn)題，TEA算法先后經(jīng)歷了幾次改進(jìn)，從XTEA到Block TEA，直至最新的XXTEAt。XTEA也稱(chēng)作TEAN，它使用與TEA相同的簡(jiǎn)單運算，但4個(gè)子密鑰采取不正規的方式進(jìn)行混合以阻止密鑰表攻擊。Block TEA算法可以對32位的任意整數倍長(cháng)度的變量塊進(jìn)行加解密的操作，該算法將XTEA輪循函數依次應用于塊中的每個(gè)字，并且將它附加于被應用字的鄰字。XXTEA使用跟Block TEA相似的結構，但在處理塊中每個(gè)字時(shí)利用了相鄰字，且用擁有2個(gè)輸入量的MX函數代替了XTEA輪循函數，這一改變對算法的實(shí)現速度影響不大，但提高了算法的抗攻擊能力，使得對6輪加密次數的算法攻擊所需的明文數量由234上升為280，基本排除了暴力攻擊的可能性。本文描述的安全機制所采用的加密算法就是TEA算法中安全性能最佳的改進(jìn)版本——XXTEA算法。
XXTEA的加密輪次視數據長(cháng)度而定，最少為6輪，最多為32輪，對應的每輪加密過(guò)程如圖1所示。圖1中，+表示求和，+表示異或，>>表示右移，<<表示左移。
從圖1中可知，XXTEA算法主要包括加法、移位和異或等運算，它的結構非常簡(jiǎn)單，只需要執行加法、異或和寄存的硬件即可，且軟件實(shí)現的代碼十分短小，具有可移植性，非常適合嵌入式系統應用。由于XXTEA算法的以上優(yōu)點(diǎn)，它可以很好地應用于嵌入式RFID系統當中。
2 RFID讀寫(xiě)器安全機制
整個(gè)RFID安全系統的整體框圖如圖2所示。本系統的設計思路是由上位PC機通過(guò)RS232接口控制MCU操作射頻模塊對Mifare 1智能卡進(jìn)行操作，再將Mifare 1卡中的數據由MCU進(jìn)行加解密運算，返回到主機的數據管理系統中。在此過(guò)程中，假設MCU與PC后臺數據管理系統的數據通信是安全的，那么會(huì )被進(jìn)行安全攻擊的環(huán)節，就是智能卡與讀寫(xiě)器之間的數據交換。
Mifare 1智能卡的安全性能在最新的電子攻擊面前變得日益單薄，且已被來(lái)自荷蘭的黑客破譯，考慮到硬件升級的成本過(guò)大，本系統在不對基于Mifare 1的RFID讀卡器硬件系統進(jìn)行變動(dòng)的情況下，將XXTEA算法嵌入到RFID系統中，設置特定的安全機制，以保護RFID數據的安全性。
整個(gè)系統的安全機制分為3個(gè)部分：對Mifare 1卡的讀取控制密碼的加密；對存入Mifare 1卡中的數據進(jìn)行的加密；動(dòng)態(tài)地進(jìn)行密碼的變換。加解密的函數設為：
Data_new=BTEA(Key，n，Data) (1) 式中：Data_new為數據進(jìn)行加解密運算后的值；Key為XXTEA算法的密鑰；n是數據組元的個(gè)數且用以控制加解密運算，n>0表示進(jìn)行加密，n<0表示進(jìn)行解密。在讀卡器中，存放4個(gè)Key，Key_com，Key1，Key2，Key3分別作為4次XXTEA加解密運算的密鑰，其中Key_com，Key1，Key2，Key3為16 byte且是固定在閱讀器的存儲器之中。根據XXTEA算法的輸入與輸出數據的長(cháng)度限制，以2個(gè)長(cháng)整數組元為加解密運算的基本單位，規定控制扇區讀寫(xiě)權限的密鑰KeyA，KeyB為XXTEA加密結果的前6個(gè)字節。
1)對Mifare 1卡的控制密碼的加密：由Mifare 1卡特性決定，任意扇區X與扇區Y的控制密碼是完全不相關(guān)的。由于Mifare 1卡的獨一無(wú)二的序列號特性，在整個(gè)系統所能支持的智能卡系列中，可以規定第X個(gè)扇區的密碼是與該智能卡的序列號相關(guān)的。序列號的得到不需要經(jīng)歷密碼校驗，而只要對智能卡的操作到達防沖突這一步驟，就可以得到。序列號SNR為4字節，而每次XXTEA加密的數組都為2個(gè)長(cháng)整型的數組，可以規定x扇區的密碼為2個(gè)SNR所構成的1個(gè)64 bit數組與公用密鑰Key_com進(jìn)行加密的結果。假設扇區X的密鑰為KeyA，則KeyA為BTEA(Key_com，2，SNR||SNR<<4)，取該結果的前6 byte為KeyA。有價(jià)值數據內容存在第Y個(gè)扇區內部，第Y個(gè)扇區的控制密碼不固定，由第X個(gè)扇區的指定數據Data1經(jīng)過(guò)XXTEA加密算法得來(lái)。具體過(guò)程如圖3所示。系統的公鑰Key_com是固定于閱讀器內，雖然在公開(kāi)信道上傳遞的信息中不包含此公鑰的信息，但是還是有必要對其進(jìn)行定期更新，才能確保安全性。
2)對存入Mifare 1卡中的數據進(jìn)行的加解密：經(jīng)過(guò)一次加密運算得到扇區Y的密碼后，通過(guò)Authentication命令完成對卡的認證后，就可以讀取存放于扇區Y的有價(jià)值數據。讀取到的是已經(jīng)經(jīng)過(guò)XXTEA算法進(jìn)行加密完的數據。所以，有必要對其進(jìn)行解密，才能得到真正的數據。而數據寫(xiě)入的過(guò)程與之對應，需要先將要寫(xiě)入Y扇區的數據以Key3進(jìn)行XXTEA加密運算，再將運算結果寫(xiě)人到扇區Y中。由XXTEA算法的對稱(chēng)密鑰特性可知，密鑰是與加密該數據的密鑰相同，固定存放于讀卡器的存儲器之中。具體過(guò)程如圖3所示。
3)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行密碼的變換：在每次讀寫(xiě)操作完智能卡之后，進(jìn)行智能卡扇區Y密鑰的動(dòng)態(tài)變換。將扇區X內的數據，用Key2進(jìn)行再次的XXTEA算法加密，變化得到一個(gè)新的數據。該新的數據寫(xiě)入扇區X。而對此Data_new進(jìn)行Key1的加密運算得到扇區Y的新密鑰，在已經(jīng)驗證扇IXY的密鑰的情況下，更改此密鑰為Data_new)iS對應的密鑰，以便下次再次使用。具體如圖4所示。
3 RFID應用系統實(shí)現
系統的硬件電路由NXP的專(zhuān)用讀寫(xiě)芯片MF RC500和STC單片機STC89C52以及外部的天線(xiàn)濾波和接收回路組成，如圖5所示。MF RC500讀寫(xiě)芯片完全兼容于ISO／IEC 14443協(xié)議，且與MCU的接口多樣化，特別適合于嵌入式系統應用。
MCU除了操作讀卡芯片進(jìn)行常規的智能卡操作，也實(shí)現了系統所需的加密算法的嵌入，讀取或寫(xiě)人數據的加解密運算都通過(guò)MCU進(jìn)行。
MF RC500對Mifare 1卡的操作過(guò)程依照ISO14443的協(xié)議規定，按先后的順序為尋卡、防沖突、選擇、密鑰校驗和之后的讀寫(xiě)和增減值操作。MF RC500對Mifare 1卡的操作都是通過(guò)寫(xiě)入Transceive命令至Regcommand寄存器，再將操作Mifare 1卡的命令以數據的形式存放于Regfifodata寄存器中，設置完收發(fā)時(shí)鐘的長(cháng)度以后，就等待智能卡對讀寫(xiě)命令的反應。在足夠長(cháng)的時(shí)間段之內，Mifare 1卡傳輸的數據就會(huì )在Regfifodata里面出現，此時(shí)，先讀取Regfifolength以確定數據的長(cháng)度，根據長(cháng)度寫(xiě)循環(huán)程序獲取智能卡返回的信息。圖6給出了系統上位機的界面。通過(guò)上位機，在正常操作智能卡的基礎上，進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新密碼的操作，以及隱藏在讀寫(xiě)操作之下的加解密過(guò)程。
系統進(jìn)行加密的試驗如下：
1)控制密碼的得到：假設系統的公鑰Key_com為{0x00112233，0x44556677，0x8899AABB，0xCCDDEEFF)，對于智能卡1，SNR為FDC71188，根據系統的規定，扇區X的密碼為KeyA與BTEA(Key_tom，2，SNR||SNR<<4)相關(guān)，結果為{oxD3A7BA0l，0x525F18FC}。取結果的前6個(gè)字節作為扇區X的控制密鑰，即KeyA為D3A7BA0152。由此密碼得到了扇區X的Data1，假設Datal為{0x00，0x11，0x22，0x33，0x44，0x55，0x66，0x77}。由此Data1和存儲于MCU中的Key1通過(guò)XXTEA加密過(guò)程BTEA(key1，2，data1)，可以得到KeyB。假設Key1為{0x01234567，0x89ABCDEF，0x01234567，0x89ABCDEF}，通過(guò)加密，得到了{0x4CEFBEC2，0xCSCBACE0}，取前6 byte，則KeyB為4CEFBEC2C8。使用該密鑰獲得對扇區Y的控制權，就可以對價(jià)值數據進(jìn)行讀寫(xiě)操作，這樣也避免了未經(jīng)授權的讀卡器想要非法對智能卡進(jìn)行操作的情況。
2)敏感數據的加解密：在Mifare 1智能卡中，數據是以塊為單位來(lái)存儲的，一塊16 byte，可以由XXTEA直接運算得出加密結果。設需要寫(xiě)入的數據為{0x01，0x12，0x23，0x34，0x45，0x56，0x67，0x78，0x89，0x9A，0xAB，0xBC，0xCD，0xDE，0xEF，0xF0}，而密鑰為Key3，設為{0xFEDCBA98，0x76543210，0xFEDCBA98，0x76543210}，通過(guò)該密鑰進(jìn)行XXTEA加密，得到加密后的數據為{0xA2，0xC6，0x6C，0x1A，0x3E，0x98，0x5E，0x48，0x7D，0xDA，0x68，0xC3，0x0C，0x23，0x1D，0x24}。將該數據寫(xiě)入智能卡中，讀取時(shí)，對它用Key3作為密鑰進(jìn)行解密，得到所需數據。利用此種方法，使得明文在開(kāi)放的傳播空間內得到保護，保護了信息的安全。
3)密碼的動(dòng)態(tài)變換：在進(jìn)行完讀寫(xiě)操作以后，為了保障智能卡的安全，要立刻進(jìn)行密碼的變換。Data1經(jīng)過(guò)與key2的XXTEA運算后，變換為Data1_new。由此Datal_new推算出KeyB_new。假設Key2為{0xFEDCBA98，0x76543210，0x01234567，0x89ABCDEF}，則Data1_new為{0x23FF28AA，0xA7684804}，KeyB_new為3C7099D07F。此密碼在智能卡中必須同步更新，防止出現讀卡器未能取得智能卡扇區Y的讀寫(xiě)控制權的問(wèn)題。
通過(guò)對實(shí)驗結果的分析可以看出，XXTEA所占用的代碼空間為2 968 byte，占用內存空間124 byte，在24 MHz外部晶振條件下，加密速率為(3．26±0．1)Kbps(p=0．01)，解密速率為(3．30±0．1)Kbps(p=0．01)，抗攻擊能力強，暫時(shí)沒(méi)有一種可行的方法對該算法進(jìn)行有效攻擊，而且防沖突性能好，微小的數據改變將導致結果的重大變化?？刂泼荑€動(dòng)態(tài)變換的根密鑰和智能卡數據的加密密鑰不經(jīng)過(guò)明文傳輸，杜絕了RFID數據通信中出現的非法讀取和監聽(tīng)等威脅。
4 結論
在XXTEA加密算法基礎上的新RFID系統安全方案，具有安全性高、低成本和兼容性高的特點(diǎn)。實(shí)驗結果表明，新方案能有效地提高RFID數據傳輸的安全性，可將RFID的應用范圍推廣到信息敏感的領(lǐng)域，包括金融交易、食品安全和公共安全等。
(文/廈門(mén)大學(xué) 程振，劉年生,李琳，郭東輝)
