隨著電子信息技術的發(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。與傳統(tǒng)的接觸式卡,、磁卡相比,，利用射頻識別技術開發(fā)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(tǒng)的接觸式IC卡,，成為智能卡領域的新潮流。然而,，由于RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交流處于開放的無線狀態(tài),，外界容易對系統(tǒng)實施各種信息干擾及信息盜取。
鑒于RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(xiàn)方面,，提出了如：Kill標簽,、法拉第電罩等方法；在軟件系統(tǒng)實現(xiàn)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(guī)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(tǒng)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(shù)據(jù)加密算法來進一步保障數(shù)據(jù)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(chǎn)品開發(fā)領域得到了廣泛應用,，例如PDA數(shù)據(jù)加密,、嵌入式通信加密等領域，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(shù)據(jù)的動態(tài)變換,，來解決RFID系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的加密，而非對稱密鑰加密算法的安全性能佳,，在數(shù)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(xiàn)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(shù)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(jīng)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(guī)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(shù)倍長度的變量塊進行加解密的操作，該算法將XTEA輪循函數(shù)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(shù)代替了XTEA輪循函數(shù),，這一改變對算法的實現(xiàn)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(shù)的算法攻擊所需的明文數(shù)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(shù)據(jù)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(zhí)行加法、異或和寄存的硬件即可,，且軟件實現(xiàn)的代碼十分短小,，具有可移植性，非常適合嵌入式系統(tǒng)應用,。由于XXTEA算法的以上優(yōu)點,，它可以很好地應用于嵌入式RFID系統(tǒng)當中。
2 RFID讀寫器安全機制
整個RFID安全系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示,。本系統(tǒng)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Mifare1智能卡進行操作,，再將Mifare1卡中的數(shù)據(jù)由MCU進行加解密運算，返回到主機的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中,。在此過程中,，假設MCU與PC后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信是安全的，那么會被進行安全攻擊的環(huán)節(jié),，就是智能卡與讀寫器之間的數(shù)據(jù)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(tǒng)在不對基于Mifare 1的RFID讀卡器硬件系統(tǒng)進行變動的情況下，將XXTEA算法嵌入到RFID系統(tǒng)中,，設置特定的安全機制,，以保護RFID數(shù)據(jù)的安全性。
整個系統(tǒng)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(shù)據(jù)進行的加密,；動態(tài)地進行密碼的變換。加解密的函數(shù)設為：
Data_new=BTEA(Key,，n,，Data) (1)
式中：Data_new為數(shù)據(jù)進行加解密運算后的值；Key為XXTEA算法的密鑰,；n是數(shù)據(jù)組元的個數(shù)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(jù)XXTEA算法的輸入與輸出數(shù)據(jù)的長度限制,，以2個長整數(shù)組元為加解密運算的基本單位，規(guī)定控制扇區(qū)讀寫權限的密鑰KeyA,，KeyB為XXTEA加密結果的前6個字節(jié),。
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(qū)X與扇區(qū)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(tǒng)所能支持的智能卡系列中，可以規(guī)定第X個扇區(qū)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(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(jié),，而每次XXTEA加密的數(shù)組都為2個長整型的數(shù)組，可以規(guī)定x扇區(qū)的密碼為2個SNR所構成的1個64 bit數(shù)組與公用密鑰Key_com進行加密的結果,。假設扇區(qū)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(shù)據(jù)內(nèi)容存在第Y個扇區(qū)內(nèi)部,，第Y個扇區(qū)的控制密碼不固定,，由第X個扇區(qū)的指定數(shù)據(jù)Data1經(jīng)過XXTEA加密算法得來。具體過程如圖3所示,。系統(tǒng)的公鑰Key_com是固定于閱讀器內(nèi),，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(shù)據(jù)進行的加解密：經(jīng)過一次加密運算得到扇區(qū)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(qū)Y的有價值數(shù)據(jù),。讀取到的是已經(jīng)經(jīng)過XXTEA算法進行加密完的數(shù)據(jù),。所以，有必要對其進行解密,，才能得到真正的數(shù)據(jù),。而數(shù)據(jù)寫入的過程與之對應，需要先將要寫入Y扇區(qū)的數(shù)據(jù)以Key3進行XXTEA加密運算,，再將運算結果寫人到扇區(qū)Y中,。由XXTEA算法的對稱密鑰特性可知，密鑰是與加密該數(shù)據(jù)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(tài)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(qū)Y密鑰的動態(tài)變換。將扇區(qū)X內(nèi)的數(shù)據(jù),，用Key2進行再次的XXTEA算法加密,，變化得到一個新的數(shù)據(jù)。該新的數(shù)據(jù)寫入扇區(qū)X,。而對此Data_new進行Key1的加密運算得到扇區(qū)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(tǒng)實現(xiàn)
系統(tǒng)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,。MFRC500讀寫芯片完全兼容于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(tǒng)應用,。
MCU除了操作讀卡芯片進行常規(guī)的智能卡操作，也實現(xiàn)了系統(tǒng)所需的加密算法的嵌入,，讀取或?qū)懭藬?shù)據(jù)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(xié)議規(guī)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(shù)據(jù)的形式存放于Regfifodata寄存器中,，設置完收發(fā)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(nèi),，Mifare 1卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就會在Regfifodata里面出現(xiàn)，此時,，先讀取Regfifolength以確定數(shù)據(jù)的長度,，根據(jù)長度寫循環(huán)程序獲取智能卡返回的信息。圖6給出了系統(tǒng)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(tài)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(tǒng)進行加密的試驗如下：
1)控制密碼的得到：假設系統(tǒng)的公鑰Key_com為{0x00112233，0x44556677,，0x8899AABB,，0xCCDDEEFF)，對于智能卡1,，SNR為FDC71188,，根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)定，扇區(qū)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(jié)作為扇區(qū)X的控制密鑰，即KeyA為D3A7BA0152,。由此密碼得到了扇區(qū)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(qū)Y的控制權,，就可以對價值數(shù)據(jù)進行讀寫操作，這樣也避免了未經(jīng)授權的讀卡器想要非法對智能卡進行操作的情況,。
2)敏感數(shù)據(jù)的加解密：在Mifare 1智能卡中,，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)為{0xA2,，0xC6,，0x6C，0x1A,，0x3E,，0x98，0x5E,，0x48,，0x7D，0xDA,，0x68,，0xC3，0x0C,，0x23,，0x1D，0x24},。將該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),。利用此種方法，使得明文在開放的傳播空間內(nèi)得到保護,，保護了信息的安全,。
3)密碼的動態(tài)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(jīng)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(xiàn)讀卡器未能取得智能卡扇區(qū)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(nèi)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(shù)據(jù)改變將導致結果的重大變化,。控制密鑰動態(tài)變換的根密鑰和智能卡數(shù)據(jù)的加密密鑰不經(jīng)過明文傳輸,，杜絕了RFID數(shù)據(jù)通信中出現(xiàn)的非法讀取和監(jiān)聽等威脅,。
4 結論
在XXTEA加密算法基礎上的新RFID系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，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,。