一種適用于RFID讀寫器的加密算法及其實現(xiàn)

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，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(shè)計方面的建議。在硬件物理實現(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(jìn)的隨機Hash鎖等方法，而這些方法都是針對RFID標(biāo)簽芯片的制造而設(shè)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(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，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)生了針對該算法的攻擊方法，所以有必要對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)的動態(tài)變換，來解決RFID系統(tǒng)應(yīng)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(lǐng)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(yīng)用的領(lǐng)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
TEA算法是由劍橋大學(xué)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(jìn)，從XTEA到Block TEA，直至最新的XXTEAt。XTEA也稱作TEAN，它使用與TEA相同的簡單運算，但4個子密鑰采取不正規(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(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，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(shè)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(jìn)行操作，再將Mifare 1卡中的數(shù)據(jù)由MCU進(jìn)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(shè)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(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。