一種適用于RFID讀寫器的加密算法及其實現

文章出處：http://5052h112.com 作者：程振，劉年生,李琳，郭東輝   人氣： 發表時間：2011年10月15日

     隨著電子信息技術的發展，非接觸式智能卡(如RFID卡)已經在我們的生活中隨處可見。與傳統的接觸式卡、磁卡相比，利用射頻識別技術開發的非接觸式智能卡，具有高度安全保密性和使用簡單等特點，正逐漸取代傳統的接觸式IC卡，成為智能卡領域的新潮流。然而，由于RFID系統的數據交流處于開放的無線狀態，外界容易對系統實施各種信息干擾及信息盜取。 

    鑒于RFID系統數據交流開放的安全性問題，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。在硬件物理實現方面，提出了如：Kill標簽、法拉第電罩等方法；在軟件系統實現方面，提出了一系列安全協議，如：Hash鎖、隨機Hash鎖、Hash鏈以及改進的隨機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，對已經大規模投入使用的智能卡而言，不具備實用性。目前在智能卡應用系統中，比較流行采用兼容ISO／IEC 14443協議的Mifare 1系列智能卡，其本身具有3次相互認證的安全協議，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進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，有著簡單、快速、安全性能好等特點，在電子產品開發領域得到了廣泛應用，例如PDA數據加密、嵌入式通信加密等領域，而TEA算法的廣泛使用導致產生了針對該算法的攻擊方法，所以有必要對TEA算法進行改進。 

    為此，本文提出利用TEA算法的改進算法——xxTEA算法進行RFID讀卡器與RFID智能卡之間密碼數據的動態變換，來解決RFID系統應用中所面對的非法讀取、竊聽、偽裝哄騙及重放等攻擊。

    1 XXTEA加密算法原理 

    在數據的加解密領域，算法分為對稱密鑰與非對稱密鑰2種。對稱密鑰與非對稱密鑰由于各自特點，所應用的領域不盡相同。對稱密鑰加密算法由于其速度快，一般用于整體數據的加密，而非對稱密鑰加密算法的安全性能佳，在數字簽名領域得到廣泛應用。 

    TEA算法是由劍橋大學計算機實驗室的Wheeler DJ和Needham RM于1994年提出，以加密解密速度快，實現簡單著稱。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題，TEA算法先后經歷了幾次改進，從XTEA到Block TEA，直至最新的XXTEAt。XTEA也稱作TEAN，它使用與TEA相同的簡單運算，但4個子密鑰采取不正規的方式進行混合以阻止密鑰表攻擊。Block TEA算法可以對32位的任意整數倍長度的變量塊進行加解密的操作，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，但在處理塊中每個字時利用了相鄰字，且用擁有2個輸入量的MX函數代替了XTEA輪循函數，這一改變對算法的實現速度影響不大，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版本——XXTEA算法。 

    XXTEA的加密輪次視數據長度而定，最少為6輪，最多為32輪，對應的每輪加密過程如圖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，它的結構非常簡單，只需要執行加法、異或和寄存的硬件即可，且軟件實現的代碼十分短小，具有可移植性，非常適合嵌入式系統應用。由于XXTEA算法的以上優點，它可以很好地應用于嵌入式RFID系統當中。 

    2 RFID讀寫器安全機制 

    整個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RS232接口控制MCU操作射頻模塊對Mifare 1智能卡進行操作，再將Mifare 1卡中的數據由MCU進行加解密運算，返回到主機的數據管理系統中。在此過程中，假設MCU與PC后臺數據管理系統的數據通信是安全的，那么會被進行安全攻擊的環節，就是智能卡與讀寫器之間的數據交換。

   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，且已被來自荷蘭的黑客破譯，考慮到硬件升級的成本過大，本系統在不對基于Mifare 1的RFID讀卡器硬件系統進行變動的情況下，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。 

    整個系統的安全機制分為3個部分：對Mifare 1卡的讀取控制密碼的加密；對存入Mifare 1卡中的數據進行的加密；動態地進行密碼的變換。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是數據組元的個數且用以控制加解密運算，n>0表示進行加密，n<0表示進行解密。在讀卡器中，存放4個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度限制，以2個長整數組元為加解密運算的基本單位，規定控制扇區讀寫權限的密鑰KeyA，KeyB為XXTEA加密結果的前6個字節。 

    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的。由于Mifare 1卡的獨一無二的序列號特性，在整個系統所能支持的智能卡系列中，可以規定第X個扇區的密碼是與該智能卡的序列號相關的。序列號的得到不需要經歷密碼校驗，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個長整型的數組，可以規定x扇區的密碼為2個SNR所構成的1個64 bit數組與公用密鑰Key_com進行加密的結果。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。有價值數據內容存在第Y個扇區內部，第Y個扇區的控制密碼不固定，由第X個扇區的指定數據Data1經過XXTEA加密算法得來。具體過程如圖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行定期更新，才能確保安全性。 

    2)對存入Mifare 1卡中的數據進行的加解密：經過一次加密運算得到扇區Y的密碼后，通過Authentication命令完成對卡的認證后，就可以讀取存放于扇區Y的有價值數據。讀取到的是已經經過XXTEA算法進行加密完的數據。所以，有必要對其進行解密，才能得到真正的數據。而數據寫入的過程與之對應，需要先將要寫入Y扇區的數據以Key3進行XXTEA加密運算，再將運算結果寫人到扇區Y中。由XXTEA算法的對稱密鑰特性可知，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。具體過程如圖3所示。 

    3)動態地進行密碼的變換：在每次讀寫操作完智能卡之后，進行智能卡扇區Y密鑰的動態變換。將扇區X內的數據，用Key2進行再次的XXTEA算法加密，變化得到一個新的數據。該新的數據寫入扇區X。而對此Data_new進行Key1的加密運算得到扇區Y的新密鑰，在已經驗證扇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應用系統實現 

    系統的硬件電路由NXP的專用讀寫芯片MF RC500和STC單片機STC89C52以及外部的天線濾波和接收回路組成，如圖5所示。MF RC500讀寫芯片完全兼容于ISO／IEC 14443協議，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行常規的智能卡操作，也實現了系統所需的加密算法的嵌入，讀取或寫人數據的加解密運算都通過MCU進行。 

    MF RC500對Mifare 1卡的操作過程依照ISO14443的協議規定，按先后的順序為尋卡、防沖突、選擇、密鑰校驗和之后的讀寫和增減值操作。MF RC500對Mifare 1卡的操作都是通過寫入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，設置完收發時鐘的長度以后，就等待智能卡對讀寫命令的反應。在足夠長的時間段之內，Mifare 1卡傳輸的數據就會在Regfifodata里面出現，此時，先讀取Regfifolength以確定數據的長度，根據長度寫循環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。通過上位機，在正常操作智能卡的基礎上，進行動態更新密碼的操作，以及隱藏在讀寫操作之下的加解密過程。 

    系統進行加密的試驗如下： 

    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，結果為{oxD3A7BA0l，0x525F18FC}。取結果的前6個字節作為扇區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XXTEA加密過程BTEA(key1，2，data1)，可以得到KeyB。假設Key1為{0x01234567，0x89ABCDEF，0x01234567，0x89ABCDEF}，通過加密，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，就可以對價值數據進行讀寫操作，這樣也避免了未經授權的讀卡器想要非法對智能卡進行操作的情況。 

    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}，通過該密鑰進行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}。將該數據寫入智能卡中，讀取時，對它用Key3作為密鑰進行解密，得到所需數據。利用此種方法，使得明文在開放的傳播空間內得到保護，保護了信息的安全。 

    3)密碼的動態變換：在進行完讀寫操作以后，為了保障智能卡的安全，要立刻進行密碼的變換。Data1經過與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的讀寫控制權的問題。 

     通過對實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，暫時沒有一種可行的方法對該算法進行有效攻擊，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。控制密鑰動態變換的根密鑰和智能卡數據的加密密鑰不經過明文傳輸，杜絕了RFID數據通信中出現的非法讀取和監聽等威脅。

    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。實驗結果表明，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域，包括金融交易、食品安全和公共安全等。 

    (文/廈門大學 程振，劉年生,李琳，郭東輝)