基于DES加密算法的射頻智能IC卡門禁系統(tǒng)

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者： 人氣： 發(fā)表時間：2013年02月06日

    簡介：介紹了射頻智能IC卡門禁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點，對如何運用加密技術(shù)，使系統(tǒng)安全性得到保證作了詳細(xì)闡述。

    1 引言

    射頻IC卡與讀卡機(jī)之間是非機(jī)械接觸的，所以射頻IC卡特別適用于大流量通過的門禁系統(tǒng)。射頻IC卡與讀卡機(jī)之間采用無線電通信技術(shù)進(jìn)行通信，而無線電波在空間上是開放的，很容易被外部截獲，因此普通不含CPU的邏輯加密射頻IC卡抵抗不了最簡單的密碼攻擊，通信內(nèi)容很容易被竊取、篡改和假冒復(fù)制等，其安全性甚至不如普通邏輯加密的接觸式IC卡。因此，只有采用內(nèi)含CPU的射頻智能IC卡，并配以相應(yīng)的通信加密技術(shù)，系統(tǒng)的安全性才能得到保證。

    射頻智能IC卡所使用的通信加密技術(shù)有別于一般通信網(wǎng)絡(luò)，有其自身特點：
    （1）射頻智能IC卡上的資源有限，不能做過于復(fù)雜的運算。有些低頻卡還存在通信速率的瓶頸問題。
    （2）讀卡機(jī)與管理服務(wù)器之間用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，但也可以脫離網(wǎng)絡(luò)各自獨立工作，在這種狀態(tài)下，讀卡機(jī)與管理服務(wù)器之間定期用大容量加密工作卡來傳遞信息。
    （3）射頻智能IC卡的工作環(huán)境十分惡劣，容易受電磁干擾和機(jī)械損壞。
    （4）射頻智能IC卡有可能被非法讀寫，受到來自多方各種級別的密碼分析攻擊，甚至來自于合法用戶本身的攻擊。

    2 系統(tǒng)簡介

    2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

    （1）用戶卡：射頻智能IC卡。內(nèi)核CPU為8位，CISC結(jié)構(gòu)，4KBFlash，帶自毀安全保護(hù)電路，128BSRAM；1KBE2PROM。合法用戶持有，內(nèi)部可以存儲用戶信息。
    （2）工作卡：接觸式邏輯加密存儲IC卡，1MBE2PROM。用于傳送密鑰或非聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)傳遞信息。
    （3）讀卡機(jī)：讀取用戶卡信息并對其進(jìn)行鑒別認(rèn)證。讀卡機(jī)與用戶卡之間通信的載波頻率為13．56MHz。
    （4）管理服務(wù)器：對系統(tǒng)內(nèi)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生密鑰表。對用戶卡進(jìn)行初始化，執(zhí)行發(fā)行、掛失等操作。對讀卡機(jī)的運行進(jìn)行管理。

    2．2 工作模式

    （1）持卡直接通過模式：用戶持卡在讀卡機(jī)上得到鑒別確認(rèn)后就可以直接通過。
    （2）持卡輸入用戶密碼通過模式：用戶不但要在讀卡機(jī)鑒別所持的卡，而且還要輸入預(yù)先約好的用戶密碼。
    （3）持卡輸入個人特征通過模式：用戶在讀卡機(jī)上鑒別所持用戶卡的同時，還要輸入個人特征（例如：指紋、眼球虹膜等）。

    2．3 工作環(huán)境

    系統(tǒng)中讀卡機(jī)總數(shù)量不大于200臺，用戶卡3萬張以下，每臺讀卡機(jī)最大通過理論流量為每小時4000張用戶卡。各讀卡機(jī)聯(lián)網(wǎng)運行，也可以脫離網(wǎng)絡(luò)獨立運行。脫離網(wǎng)絡(luò)獨立運行時，管理服務(wù)器與讀卡機(jī)之間采用工作卡定期傳遞信息。管理服務(wù)器由保密員操作，重要系統(tǒng)需設(shè)專用保密室。讀卡機(jī)不易被偷竊。用戶卡所處環(huán)境較差，經(jīng)常發(fā)生機(jī)械損壞和遺失。整個系統(tǒng)可能遇到不同級別的密碼攻擊。

    3 密碼協(xié)議

    根據(jù)系統(tǒng)的特點和條件，選擇了對稱密碼體系。大多數(shù)對稱算法的加／解密密鑰相同，程序設(shè)計簡單可靠，資源開銷較公約密碼小，運算速度高。缺點是密鑰分發(fā)、交換和管理的工作量大。

    3．1 密鑰生成、分發(fā)

    管理服務(wù)器里的偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生長56位的密鑰。弱密鑰、半弱密鑰被自動剔除。整個系統(tǒng)中所有卡和讀卡機(jī)都編有產(chǎn)品序列號，管理服務(wù)器自動給每個產(chǎn)品序列號配以相應(yīng)不同的密鑰，制成密鑰表待用，完成密鑰分配。管理服務(wù)按產(chǎn)品序列號向用戶卡注入相應(yīng)的密鑰，保密員用工作卡將密鑰表傳遞給每一個讀卡機(jī)。完成密鑰分發(fā)任務(wù)。

    3．2 鑒別認(rèn)證協(xié)議

    3．3 明文幀格式與密碼分組鏈接模式

    （1）明文幀格式見圖2。

    （2）密碼分組鏈接模式：最長的明文長256bit，需分組加密。為了抵抗替代篡改攻擊，要用密碼分組鏈接法。鏈接就是將一種反饋機(jī)制引入分組密碼中，即每個明文塊在加密時都與前一個密文塊進(jìn)行異或運算。256bit的明文分為三個64bit的塊。第一塊中含有隨機(jī)數(shù)Rb，第一塊明文加密后的密文可直接當(dāng)作初始向量與第二塊明文做異或運算。

    4 密碼算法

    在眾多文獻(xiàn)中可查閱到很多密碼算法，但真正能適用于IC卡的密碼算法并不多。公開密鑰算法體系有許多優(yōu)點，可能是今后發(fā)展的方向，但目前在IC卡上應(yīng)用有許多困難，主要是資源開銷過大。例如公開密鑰RSA算法，它的主要運算是乘冪運算，用匯編語言實現(xiàn)很復(fù)雜。公開密鑰算法中的橢圓曲線密碼有希望用在IC卡上。

    對稱密碼體系中的分組密碼算法經(jīng)常用在IC卡上，例如：DES、IDEA、RC2、RC5等，這些算法還經(jīng)常以變形、多重組合形式使用。著名的DES算法雖然老舊，但用匯編語言實現(xiàn)很方便，因此很多安全性要求不是很強(qiáng)的系統(tǒng)還是優(yōu)先采用它。DES算法使用時沒有任何專利和許可證方面的限制。本系統(tǒng)中也采用了·06·DES算法。由于DES算法主要使用復(fù)雜的移位方式運行，射頻智能IC卡上的CPU使用的匯編中備有多種移位指令，所以運行速度很快。另外，DES算法加密和解密可用同一個程序，只要在迭代末尾加個小變化，因此編程方便簡單。

    5 安全性

    5．1 密鑰生成、分發(fā)過程中的安全性

    密鑰生成、分發(fā)過程是由保密人員來操作，應(yīng)該有理由信賴。但同時，人的因素也是所有密碼系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，大多數(shù)安全失敗由系統(tǒng)運行時人的工作失誤引起，而不是算法或協(xié)議上的失敗。管理服務(wù)器由保密員操作，有多種軟硬件鎖來防止管理服務(wù)器被非法開啟。工作卡由保密員掌握，工作卡內(nèi)置邏輯加密功能和自毀電路，可以有效防止非法讀寫。讀卡機(jī)上的密鑰存儲單元也具有邏輯加密和自毀功能。用戶卡在做初始化時有電磁屏蔽保護(hù)。要想從上述硬件設(shè)備上獲取密鑰，代價很高，得不償失。當(dāng)然，保護(hù)好硬件設(shè)備，適時更換密鑰是提高安全性的重要措施。

    5．2 抵抗對協(xié)議的攻擊

    （1）本系統(tǒng)的密碼協(xié)議里，后面的密鑰都靠先前的消息提供。后面的消息作為所在先前消息的雙重認(rèn)證。這意味著某人不能重放一個舊的消息，否則接收者根本不能將它解密。
    （2）協(xié)議加強(qiáng)了正確性執(zhí)行。如果鑒別與被鑒別雙方有一個沒有正確執(zhí)行該協(xié)議，協(xié)議都將終止工作。
    （3）每一次發(fā)送的數(shù)據(jù)均有隨機(jī)數(shù)編入，當(dāng)發(fā)送相同數(shù)據(jù)時，每次所傳送的密文不會重復(fù)。抵抗重放攻擊有很好的效果。選一個好的偽隨機(jī)數(shù)生成算法，能進(jìn)一步提高安全性。
    （4）密碼分組鏈接模式能成功抵抗替代篡改攻擊，系統(tǒng)的安全性依賴于基礎(chǔ)的密碼算法，而不依賴模式，盡管模式算法很簡單。密碼模式不會損害密碼算法的安全性。

    5．3 關(guān)于DES算法的安全性

    DES算法最大的弱點是密鑰長度過短，并且超期服役，抵抗窮舉搜索攻擊已逐漸力不從心，若采用三重DES算法可在一定程度上解決這個問題。完整的16輪DES算法抵抗差分分析能力較強(qiáng)，抵抗線性分析能力相對弱一些?？赡苡幸恍┪丛_的分析方法對DES算法構(gòu)成威脅，但破譯DES算法加密的消息需付出一定代價?？傊?，對安全性要求很高的系統(tǒng)，最好不要選用DES算法。

    6 具體系統(tǒng)設(shè)計時的注意事項

    本文給出的系統(tǒng)是一種較全面的方案。在具體應(yīng)用中可適當(dāng)作一些化簡?？傊漕l智能IC卡門禁系統(tǒng)的工作模式、系統(tǒng)大小、安全性、可靠性、系統(tǒng)成本等因素經(jīng)常是相互矛盾的。用一種所謂標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)模式來滿足實際中所有要求是不現(xiàn)實的，唯有權(quán)衡利弊，根據(jù)具體情況來選取方案，才能設(shè)計出實用系統(tǒng)。重要系統(tǒng)的設(shè)計方案要經(jīng)安全專家審核。

    參考文獻(xiàn)
    1　盧開澄．計算機(jī)密碼學(xué)．北京：清華大學(xué)出版社，1998
    2（美）Bruce Schneier著，吳世忠譯．應(yīng)用密碼學(xué)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000
    3　H卡資安．標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)加密算法．北京：人民郵電出版社，1983

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