引言

RFID(無(wú)線射頻識(shí)別)技術(shù)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造、物流管理、公共安全等多個(gè)領(lǐng)域。特別是13.56MHz的RFID以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在公共交通、門禁管理、學(xué)校一卡通、醫(yī)療衛(wèi)生、身份管理等領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用。然而，隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，RFID卡的數(shù)據(jù)安全性和保密性顯得日益重要。自從2008年德國(guó)研究員亨里克·普洛茨(Henryk Plotz)和弗吉尼亞大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)在讀博士卡爾斯滕·諾爾(Karsten Nohl)成功地破解了由NXP收購(gòu)來(lái)的的Mifare經(jīng)典非接觸IC卡(M1卡)的安全算法以來(lái)，RFID技術(shù)的安全性受到了前所未有的挑戰(zhàn)。為了防止RFID卡被破解、復(fù)制，采用3DES加密算法和時(shí)間戳算法對(duì)M1卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯加密保護(hù)，并在較低配置的單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的要求，3DES加密算法可以有效地防止RFID卡被非法破解和復(fù)制。

1 、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證，硬件主控系統(tǒng)采用宏晶科技公司的51系列單片機(jī)STC15L2K32S2，復(fù)旦微電子公司的FM1702無(wú)線射頻芯片，及常用的DS1302時(shí)鐘模塊、W25Q32存儲(chǔ)器以及按鍵、液晶顯示等構(gòu)成系統(tǒng)，如圖1所示。STC15L2K32S2工作電壓3.3V，內(nèi)部具有2K的RAM、32K的Flash以及29K的EEPROM，用內(nèi)部的EEPROM存儲(chǔ)系統(tǒng)重要密碼參數(shù)等信息。FM1702芯片是ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸IC卡用芯片，支持經(jīng)典的M1卡，支持SPI接口方式，工作電壓3V~5V[4]。DS1302時(shí)鐘模塊提供當(dāng)前時(shí)間，可以使用該時(shí)間生成一個(gè)4字節(jié)的加密時(shí)間戳，加強(qiáng)防止卡被非法復(fù)制。W25Q32存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)卡的加密序列號(hào)和時(shí)間戳。

2、 3DES加密算法實(shí)現(xiàn)

2.1 3DES算法在STC單片機(jī)中的實(shí)現(xiàn)

3DES加密算法，是在DES算法基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的一種增強(qiáng)型的加密算法。它相當(dāng)于是對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊應(yīng)用三次DES加密算法，即通過(guò)增加DES的密鑰長(zhǎng)度來(lái)避免外來(lái)的暴力攻擊。基礎(chǔ)的DES算法是一種分組對(duì)稱加密、解密算法，也是使用較廣泛的密鑰系統(tǒng)之一，DES算法的優(yōu)點(diǎn)是算法公開(kāi)、計(jì)算量小、加密速度快、加密效率高[5]，適合在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。

DES算法對(duì)明文數(shù)據(jù)按8字節(jié)進(jìn)行分組處理，即明文按64位分組，密鑰長(zhǎng)度也是64位，其中8位為奇偶校驗(yàn)位。首先使用一個(gè)IP置換表對(duì)要加密的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行初始IP置換，對(duì)64位明文按位重新組合，并分成左32位L0和右32位R0兩部分。然后使用一個(gè)f函數(shù)對(duì)L0和R0實(shí)施16輪迭代運(yùn)算，最后使用一個(gè)IP-1逆置換表對(duì)數(shù)據(jù)作逆置換給出加密的結(jié)果。在16輪迭代運(yùn)算過(guò)程中，每次加密迭代使用不同的48位子密鑰K1…K16，這16個(gè)子密鑰是由64位密鑰通過(guò)選擇置換1、循環(huán)左移、選擇置換2等變換得到的[6]。DES算法的加密流程如圖2所示。

如前所述，DES算法使用異或、置換、代換、移位操作四種基本運(yùn)算進(jìn)行16輪循環(huán)迭代運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在單片機(jī)中用Keil C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)算法時(shí)需要編寫相應(yīng)的基本運(yùn)算操作函數(shù)，并設(shè)計(jì)一些基本的參數(shù)表。這些表包括：初始置換表IP、逆置換表IP-1、S盒替換表、E擴(kuò)展置換表、P置換表、選擇置換表1(PC-1)、選擇置換表2(PC-2)和循環(huán)右移表。這些表可以用Keil C語(yǔ)言的數(shù)組來(lái)實(shí)現(xiàn)，并聲明為“static unsigned char code”類型的數(shù)組，其中static關(guān)鍵字是保證該數(shù)組只在當(dāng)前模塊可見(jiàn)。

DES解密過(guò)程的邏輯結(jié)構(gòu)和加密過(guò)程一致，但解密過(guò)程中使用的子密鑰的順序與加密時(shí)的順序正好相反，依次為K16，K15，…，K1。即第1輪迭代使用子密鑰K16，第2輪迭代使用子密鑰K15，…，第16輪迭代使用子密鑰K1，并交換L16和R16的順序，最終得到64位明文[7]。典型的3DES算法是用兩個(gè)密鑰(EDE2模式，即Key1 = Key3，Key2)對(duì)明文實(shí)施加密-解密-加密。明文P用Key1加密，用Key2解密，用Key3加密，即可得到密文C;密文C用Key3解密，用Key2加密，用Key1解密，即可得到明文P。3DES算法的加密、解密流程如圖3所示。在圖3中，DES-1表示解密，Key1、Key2和Key3各表示64位密鑰。

根據(jù)圖3可以寫出在Keil C語(yǔ)言中的3DES算法加密、解密函數(shù)，其中參數(shù)key_p是指向16字節(jié)密鑰的指針。

void TripleDes(unsigned char *data_p,unsigned char* key_p,int type)//data待加密數(shù)據(jù)，key為

{ //密鑰，type表示加密或解密

des(data_p, key_p, type); // DES加密

des(data_p, &key_p[8], !type); // DES解密

des(data_p, key_p, type); // DES加密

}

2.2 3DES算法在M1卡中的應(yīng)用

M1卡(即NXP Mifare1系列)及與其兼容芯片的RFID卡是用得較多無(wú)線卡。公交卡、門禁卡、校園一卡通等都是使用的該系列的卡片。M1卡分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為4塊，每塊16個(gè)字節(jié)，以塊為存取單位，每個(gè)扇區(qū)的最后一塊一般用來(lái)存儲(chǔ)該扇區(qū)的物理密碼和訪問(wèn)控制信息[8]，因此，用來(lái)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的塊共有47塊(16×3-1，0扇區(qū)0塊固定存儲(chǔ)卡序列號(hào)等信息)。

在STC單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM中需要存儲(chǔ)兩種密碼，一種是讀取M1卡時(shí)需要驗(yàn)證的物理密碼，另一種是3DES算法用到的加密、解密的邏輯密碼，M1卡的物理密碼一般是12個(gè)字節(jié)，3DES算法的邏輯密碼是16個(gè)字節(jié)。當(dāng)需要往M1卡中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)把事先存儲(chǔ)在STC15單片機(jī)的EEPROM中16字節(jié)邏輯密鑰讀取到password[16]數(shù)組中，然后把要寫入M1卡中的數(shù)據(jù)按照8個(gè)字節(jié)一組進(jìn)行3DES算法加密，當(dāng)達(dá)到16個(gè)字節(jié)后寫入用戶指定的扇區(qū)塊中，如果加密數(shù)據(jù)不夠8個(gè)字節(jié)，按照約定進(jìn)行補(bǔ)零以滿足3DES算法要求。當(dāng)單片機(jī)控制射頻芯片驗(yàn)證物理密碼并讀取到M1卡中的數(shù)據(jù)后，按照8個(gè)字節(jié)一組進(jìn)行3DES算法解密，并把解密后的明文數(shù)據(jù)返回給用戶。如果不知道3DES算法的16位邏輯密鑰，即使非法讀取到了M1卡中的數(shù)據(jù)也無(wú)法得到其明文，從而達(dá)到了防止數(shù)據(jù)被破解的目的。

如果得到了卡中的密文，盡管無(wú)法得到其明文，但是攻擊者可以對(duì)卡進(jìn)行完全復(fù)制，包括復(fù)制第0扇區(qū)第0塊的卡序列號(hào)等信息(如UID卡即可修改其0扇區(qū)第0塊的內(nèi)容)，為了防止攻擊者對(duì)M1卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制到另一張M1卡中，需要在STC單片機(jī)的EEPROM或者外部存儲(chǔ)器中建立一個(gè)存儲(chǔ)卡序列號(hào)和時(shí)間戳的系統(tǒng)表，卡序列號(hào)和時(shí)間戳各占4個(gè)字節(jié)。每當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)卡進(jìn)行一次操作之后，就要在卡中和系統(tǒng)表中都寫入新的時(shí)間戳，當(dāng)兩張完全一樣的復(fù)制卡先后被系統(tǒng)讀取到之后，由于系統(tǒng)在先被讀取的復(fù)制卡中寫入了新的時(shí)間戳信息，從而把另一張復(fù)制卡標(biāo)識(shí)為非法卡，也就是說(shuō)，無(wú)論攻擊者復(fù)制了多少?gòu)埻耆嗤目ǎ挥凶钕缺幌到y(tǒng)讀取到那一張能正常使用，從而，防止了卡被復(fù)制。時(shí)間戳是STC單片機(jī)從DS1302中讀取出來(lái)的年、月、日、時(shí)、分、秒之后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的移位操作而合成的一個(gè)四字節(jié)無(wú)符號(hào)變量。時(shí)間戳的合成方法如圖4所示。系統(tǒng)處理總體流程圖如圖5所示。

根據(jù)圖4所示，時(shí)間戳的合成算法可以用以下語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)：

ts = ((INT32U)yr << 26) | ((INT32U)month << 22) | ((INT32U)day << 17);

ts |= ((INT32U)hr << 12) | ((INT32U)min << 6) | (INT32U)sec;

時(shí)間和日期也可以由單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)器或者其他方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 、系統(tǒng)測(cè)試

為了對(duì)STC單片機(jī)在3DES算法加密、解密數(shù)據(jù)的正確性和運(yùn)算能力進(jìn)一步分析，對(duì)STC單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。在STC單片機(jī)RAM中建立一個(gè)容量為1K字節(jié)的數(shù)組test3des[1024]，并給它賦初始值，調(diào)用TripleDes函數(shù)進(jìn)行加密，并通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)顯示出來(lái);把加密后的數(shù)據(jù)重新賦值給數(shù)組test3des[1024]，調(diào)用TripleDes函數(shù)進(jìn)行解密，并發(fā)串口顯示，實(shí)際測(cè)試證明3DES算法是正確的。考慮到STC單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行速度較低，如果讓STC單片機(jī)對(duì)加密、解密速度進(jìn)行計(jì)算并處理，勢(shì)必會(huì)影響到結(jié)論的準(zhǔn)確性，為此，使用VC++編寫上位機(jī)軟件配合3DES算法處理速度測(cè)試。在STC單片機(jī)調(diào)用3DES算法加密、解密數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)單片機(jī)串口發(fā)送到上位機(jī)一個(gè)開(kāi)始命令，上位機(jī)軟件啟動(dòng)精密計(jì)時(shí)，等STC單片機(jī)處理完數(shù)據(jù)時(shí)再給上位機(jī)軟件發(fā)送一個(gè)結(jié)束命令，上位機(jī)軟件停止計(jì)時(shí)，通過(guò)單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和計(jì)時(shí)時(shí)間可以計(jì)算出STC單片機(jī)調(diào)用3DES算法加密、解密數(shù)據(jù)的速度。STC單片機(jī)在不同晶振頻率下3DES算法加密、解密測(cè)試對(duì)照表如表1所示。平均加密或解密時(shí)間是經(jīng)過(guò)10次測(cè)試取其平均值。

從表1的數(shù)據(jù)可知：在STC單片機(jī)運(yùn)行在典型工作頻率22.1184MHz的情況下，3DES算法加密、解密的平均速度約為308.7bit/s，加密或解密M1卡一個(gè)塊數(shù)據(jù)(16個(gè)字節(jié))用時(shí)約為0.41s，完全達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的條件，而且，隨著所選用單片機(jī)或微處理器運(yùn)行速度的提高，所用時(shí)間會(huì)更少。

4、 結(jié)論

通過(guò)分析3DES算法原理和防復(fù)制方法，在較低配置的STC單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了3DES加密算法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，證明了3DES算法在非接觸式M1卡中應(yīng)用的可行性，這對(duì)保障RFID卡信息安全性和保密性具有重要的作用，在實(shí)際應(yīng)用中也具有一定的參考意義。

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