隨著電子信息技術(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,。與傳統(tǒng)的接觸式卡、磁卡相比,，利用射頻識(shí)別技術(shù)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(diǎn)，正逐漸取代傳統(tǒng)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(tǒng)的數(shù)據(jù)交流處于開放的無線狀態(tài),，外界容易對(duì)系統(tǒng)實(shí)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(jī)制設(shè)計(jì)方面的建議,。在硬件物理實(shí)現(xiàn)方面，提出了如：Kill標(biāo)簽,、法拉第電罩等方法,；在軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面，提出了一系列安全協(xié)議,，如：Hash鎖,、隨機(jī)Hash鎖、Hash鏈以及改進(jìn)的隨機(jī)Hash鎖等方法,，而這些方法都是針對(duì)RFID標(biāo)簽芯片的制造而設(shè)計(jì)的,，對(duì)已經(jīng)大規(guī)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(yīng)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(rèn)證的安全協(xié)議,，但其安全性仍有漏洞,，有必要在它安全機(jī)制基礎(chǔ)上，引入一種數(shù)據(jù)加密算法來進(jìn)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(diǎn)，在電子產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,，例如PDA數(shù)據(jù)加密,、嵌入式通信加密等領(lǐng)域，而TEA算法的廣泛使用導(dǎo)致產(chǎn)生了針對(duì)該算法的攻擊方法，所以有必要對(duì)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(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變換,，來解決RFID系統(tǒng)應(yīng)用中所面對(duì)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(lǐng)域,，算法分為對(duì)稱密鑰與非對(duì)稱密鑰2種。對(duì)稱密鑰與非對(duì)稱密鑰由于各自特點(diǎn),，所應(yīng)用的領(lǐng)域不盡相同。對(duì)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(duì)稱密鑰加密算法的安全性能佳,，在數(shù)字簽名領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
        TEA算法是由劍橋大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的Wheeler DJ和Needham RM于1994年提出,，以加密解密速度快，實(shí)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(jìn),，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(yùn)算，但4個(gè)子密鑰采取不正規(guī)的方式進(jìn)行混合以阻止密鑰表攻擊,。Block TEA算法可以對(duì)32位的任意整數(shù)倍長度的變量塊進(jìn)行加解密的操作,，該算法將XTEA輪循函數(shù)依次應(yīng)用于塊中的每個(gè)字，并且將它附加于被應(yīng)用字的鄰字,。XXTEA使用跟Block TEA相似的結(jié)構(gòu)，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(shù)代替了XTEA輪循函數(shù)，這一改變對(duì)算法的實(shí)現(xiàn)速度影響不大,，但提高了算法的抗攻擊能力，使得對(duì)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(jī)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(shù)據(jù)長度而定，最少為6輪,，最多為32輪，對(duì)應(yīng)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(yùn)算,，它的結(jié)構(gòu)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(shí)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(yīng)用,。由于XXTEA算法的以上優(yōu)點(diǎn),，它可以很好地應(yīng)用于嵌入式RFID系統(tǒng)當(dāng)中,。

2 RFID讀寫器安全機(jī)制
        整個(gè)RFID安全系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示,。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是由上位PC機(jī)通過RS232接口控制MCU操作射頻模塊對(duì)Mifare1智能卡進(jìn)行操作，再將Mifare1卡中的數(shù)據(jù)由MCU進(jìn)行加解密運(yùn)算,，返回到主機(jī)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中。在此過程中,，假設(shè)MCU與PC后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信是安全的，那么會(huì)被進(jìn)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(jí)的成本過大,，本系統(tǒng)在不對(duì)基于Mifare 1的RFID讀卡器硬件系統(tǒng)進(jìn)行變動(dòng)的情況下，將XXTEA算法嵌入到RFID系統(tǒng)中,，設(shè)置特定的安全機(jī)制，以保護(hù)RFID數(shù)據(jù)的安全性,。      

        整個(gè)系統(tǒng)的安全機(jī)制分為3個(gè)部分：對(duì)Mifare 1卡的讀取控制密碼的加密,；對(duì)存入Mifare 1卡中的數(shù)據(jù)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(shù)設(shè)為：
        Data_new=BTEA(Key,，n，Data)       (1)
   
式中：Data_new為數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密運(yùn)算后的值,；Key為XXTEA算法的密鑰,；n是數(shù)據(jù)組元的個(gè)數(shù)且用以控制加解密運(yùn)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(yùn)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(chǔ)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(gè)長整數(shù)組元為加解密運(yùn)算的基本單位,，規(guī)定控制扇區(qū)讀寫權(quán)限的密鑰KeyA，KeyB為XXTEA加密結(jié)果的前6個(gè)字節(jié),。
        1)對(duì)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(guān)的,。由于Mifare 1卡的獨(dú)一無二的序列號(hào)特性，在整個(gè)系統(tǒng)所能支持的智能卡系列中,，可以規(guī)定第X個(gè)扇區(qū)的密碼是與該智能卡的序列號(hào)相關(guān)的。序列號(hào)的得到不需要經(jīng)歷密碼校驗(yàn),，而只要對(duì)智能卡的操作到達(dá)防沖突這一步驟，就可以得到,。序列號(hào)SNR為4字節(jié),，而每次XXTEA加密的數(shù)組都為2個(gè)長整型的數(shù)組,，可以規(guī)定x扇區(qū)的密碼為2個(gè)SNR所構(gòu)成的1個(gè)64 bit數(shù)組與公用密鑰Key_com進(jìn)行加密的結(jié)果,。假設(shè)扇區(qū)X的密鑰為KeyA,，則KeyA為BTEA(Key_com，2,，SNR||SNR<<4)，取該結(jié)果的前6 byte為KeyA,。有價(jià)值數(shù)據(jù)內(nèi)容存在第Y個(gè)扇區(qū)內(nèi)部，第Y個(gè)扇區(qū)的控制密碼不固定,，由第X個(gè)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(duì)其進(jìn)行定期更新，才能確保安全性,。
         2)對(duì)存入Mifare 1卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行的加解密：經(jīng)過一次加密運(yùn)算得到扇區(qū)Y的密碼后，通過Authentication命令完成對(duì)卡的認(rèn)證后,，就可以讀取存放于扇區(qū)Y的有價(jià)值數(shù)據(jù)。讀取到的是已經(jīng)經(jīng)過XXTEA算法進(jìn)行加密完的數(shù)據(jù),。所以，有必要對(duì)其進(jìn)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(duì)應(yīng),，需要先將要寫入Y扇區(qū)的數(shù)據(jù)以Key3進(jìn)行XXTEA加密運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果寫人到扇區(qū)Y中,。由XXTEA算法的對(duì)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(chǔ)器之中。具體過程如圖3所示,。

        3)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行密碼的變換：在每次讀寫操作完智能卡之后,，進(jìn)行智能卡扇區(qū)Y密鑰的動(dòng)態(tài)變換。將扇區(qū)X內(nèi)的數(shù)據(jù),，用Key2進(jìn)行再次的XXTEA算法加密,，變化得到一個(gè)新的數(shù)據(jù)。該新的數(shù)據(jù)寫入扇區(qū)X,。而對(duì)此Data_new進(jìn)行Key1的加密運(yùn)算得到扇區(qū)Y的新密鑰,，在已經(jīng)驗(yàn)證扇IXY的密鑰的情況下，更改此密鑰為Data_new)iS對(duì)應(yīng)的密鑰,，以便下次再次使用。具體如圖4所示,。

3 RFID應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)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(jī)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(yīng)用。

        MCU除了操作讀卡芯片進(jìn)行常規(guī)的智能卡操作,，也實(shí)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(yùn)算都通過MCU進(jìn)行,。

    MF RC500對(duì)Mifare 1卡的操作過程依照ISO14443的協(xié)議規(guī)定，按先后的順序?yàn)閷た?、防沖突、選擇,、密鑰校驗(yàn)和之后的讀寫和增減值操作,。MF RC500對(duì)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(shè)置完收發(fā)時(shí)鐘的長度以后,，就等待智能卡對(duì)讀寫命令的反應(yīng),。在足夠長的時(shí)間段之內(nèi)，Mifare 1卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就會(huì)在Regfifodata里面出現(xiàn),，此時(shí),，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(jī)的界面,。通過上位機(jī)，在正常操作智能卡的基礎(chǔ)上,，進(jìn)行動(dòng)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(jìn)行加密的試驗(yàn)如下：
   
       1)控制密碼的得到：假設(shè)系統(tǒng)的公鑰Key_com為{0x00112233,，0x44556677,，0x8899AABB,，0xCCDDEEFF)，對(duì)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(guān),，結(jié)果為{oxD3A7BA0l,，0x525F18FC}。取結(jié)果的前6個(gè)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(shè)Datal為{0x00,，0x11,，0x22，0x33,，0x44，0x55,，0x66，0x77},。由此Data1和存儲(chǔ)于MCU中的Key1通過XXTEA加密過程BTEA(key1,，2，data1),，可以得到KeyB,。假設(shè)Key1為{0x01234567,，0x89ABCDEF，0x01234567,，0x89ABCDEF},，通過加密，得到了{(lán)0x4CEFBEC2,，0xCSCBACE0},，取前6 byte，則KeyB為4CEFBEC2C8,。使用該密鑰獲得對(duì)扇區(qū)Y的控制權(quán),，就可以對(duì)價(jià)值數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，這樣也避免了未經(jīng)授權(quán)的讀卡器想要非法對(duì)智能卡進(jìn)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(chǔ)的，一塊16
byte,，可以由XXTEA直接運(yùn)算得出加密結(jié)果,。設(shè)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(shè)為{0xFEDCBA98，0x76543210,，0xFEDCBA98,，0x76543210}，通過該密鑰進(jìn)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(shí)，對(duì)它用Key3作為密鑰進(jìn)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(hù),，保護(hù)了信息的安全,。
   
        3)密碼的動(dòng)態(tài)變換：在進(jìn)行完讀寫操作以后，為了保障智能卡的安全,，要立刻進(jìn)行密碼的變換,。Data1經(jīng)過與key2的XXTEA運(yùn)算后，變換為Data1_new,。由此Datal_new推算出KeyB_new,。假設(shè)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(quán)的問題,。
         通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng),，暫時(shí)沒有一種可行的方法對(duì)該算法進(jìn)行有效攻擊，而且防沖突性能好,，微小的數(shù)據(jù)改變將導(dǎo)致結(jié)果的重大變化,。控制密鑰動(dòng)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(jié)論
   
        在XXTEA加密算法基礎(chǔ)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(diǎn),。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)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,。