對(duì)無(wú)線IC卡傳輸數(shù)據(jù)實(shí)行3DES加密

摘要：為了保護(hù)無(wú)線IC卡傳輸數(shù)據(jù)的安全性，防止非法的破解和復(fù)制，在較低配置的單片機(jī)系統(tǒng)中采用3DES加密算法。當(dāng)使用STC單片機(jī)工作在22.1184MHz的典型條件下，3DES算法加密、解密的平均速度約為308.7bit/s，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

引言

　　RFID(無(wú)線射頻識(shí)別)技術(shù)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造、物流管理、公共安全等多個(gè)領(lǐng)域 ^[1]。特別是13.56MHz的RFID以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在公共交通、門禁管理、學(xué)校一卡通、醫(yī)療衛(wèi)生、身份管理等領(lǐng)域得到了充分的應(yīng)用。然而，隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，RFID卡的數(shù)據(jù)安全性和保密性顯得日益重要。自從2008年德國(guó)研究員亨里克·普洛茨(Henryk Plotz)和弗吉尼亞大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)在讀博士卡爾斯滕·諾爾(Karsten Nohl)成功地破解了由NXP收購(gòu)來(lái)的的Mifare經(jīng)典非接觸IC卡(M1卡)的安全算法以來(lái)，RFID技術(shù)的安全性受到了前所未有的挑戰(zhàn)^[2]。為了防止RFID卡被破解、復(fù)制，采用3DES加密算法和時(shí)間戳算法對(duì)M1卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯加密保護(hù)，并在較低配置的單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的要求，3DES加密算法可以有效地防止RFID卡被非法破解和復(fù)制。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　為了驗(yàn)證，硬件主控系統(tǒng)采用宏晶科技公司的51系列單片機(jī)STC15L2K32S2，復(fù)旦微電子公司的FM1702無(wú)線射頻芯片，及常用的DS1302時(shí)鐘模塊、W25Q32存儲(chǔ)器以及按鍵、液晶顯示等構(gòu)成系統(tǒng)，如圖1所示。STC15L2K32S2工作電壓3.3V，內(nèi)部具有2K的RAM、32K的Flash以及29K的EEPROM，用內(nèi)部的EEPROM存儲(chǔ)系統(tǒng)重要密碼參數(shù)等信息^[3]。FM1702芯片是ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸IC卡用芯片，支持經(jīng)典的M1卡，支持SPI接口方式，工作電壓3V~5V^[4]。DS1302時(shí)鐘模塊提供當(dāng)前時(shí)間，可以使用該時(shí)間生成一個(gè)4字節(jié)的加密時(shí)間戳，加強(qiáng)防止卡被非法復(fù)制。W25Q32存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)卡的加密序列號(hào)和時(shí)間戳。

2 3DES加密算法實(shí)現(xiàn)

2.1 3DES算法在STC單片機(jī)中的實(shí)現(xiàn)

　　3DES加密算法，是在DES算法基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的一種增強(qiáng)型的加密算法。它相當(dāng)于是對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊應(yīng)用三次DES加密算法，即通過(guò)增加DES的密鑰長(zhǎng)度來(lái)避免外來(lái)的暴力攻擊?；A(chǔ)的DES算法是一種分組對(duì)稱加密、解密算法，也是使用較廣泛的密鑰系統(tǒng)之一，DES算法的優(yōu)點(diǎn)是算法公開(kāi)、計(jì)算量小、加密速度快、加密效率高^[5]，適合在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。

　　DES算法對(duì)明文數(shù)據(jù)按8字節(jié)進(jìn)行分組處理，即明文按64位分組，密鑰長(zhǎng)度也是64位，其中8位為奇偶校驗(yàn)位。首先使用一個(gè)IP置換表對(duì)要加密的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行初始IP置換，對(duì)64位明文按位重新組合，并分成左32位L₀和右32位R₀兩部分。然后使用一個(gè)f函數(shù)對(duì)L₀和R₀實(shí)施16輪迭代運(yùn)算，最后使用一個(gè)IP^-1逆置換表對(duì)數(shù)據(jù)作逆置換給出加密的結(jié)果。在16輪迭代運(yùn)算過(guò)程中，每次加密迭代使用不同的48位子密鑰K₁…K₁₆，這16個(gè)子密鑰是由64位密鑰通過(guò)選擇置換1、循環(huán)左移、選擇置換2等變換得到的^[6]。DES算法的加密流程如圖2所示。

　　如前所述，DES算法使用異或、置換、代換、移位操作四種基本運(yùn)算進(jìn)行16輪循環(huán)迭代運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在單片機(jī)中用Keil C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)算法時(shí)需要編寫相應(yīng)的基本運(yùn)算操作函數(shù)，并設(shè)計(jì)一些基本的參數(shù)表。這些表包括：初始置換表IP、逆置換表IP^-1、S盒替換表、E擴(kuò)展置換表、P置換表、選擇置換表1(PC^-1)、選擇置換表2(PC^-2)和循環(huán)右移表。這些表可以用Keil C語(yǔ)言的數(shù)組來(lái)實(shí)現(xiàn)，并聲明為“static unsigned char code”類型的數(shù)組，其中static關(guān)鍵字是保證該數(shù)組只在當(dāng)前模塊可見(jiàn)。

　　DES解密過(guò)程的邏輯結(jié)構(gòu)和加密過(guò)程一致，但解密過(guò)程中使用的子密鑰的順序與加密時(shí)的順序正好相反，依次為K16，K15，…，K1。即第1輪迭代使用子密鑰K₁₆，第2輪迭代使用子密鑰K₁₅，…，第16輪迭代使用子密鑰K₁，并交換L₁₆和R₁₆的順序，最終得到64位明文^[7]。典型的3DES算法是用兩個(gè)密鑰(EDE2模式，即Key1 = Key3，Key2)對(duì)明文實(shí)施加密-解密-加密。明文P用Key1加密，用Key2解密，用Key3加密，即可得到密文C;密文C用Key3解密，用Key2加密，用Key1解密，即可得到明文P。3DES算法的加密、解密流程如圖3所示。在圖3中，DES^-1表示解密，Key1、Key2和Key3各表示64位密鑰。

　　根據(jù)圖3可以寫出在Keil C語(yǔ)言中的3DES算法加密、解密函數(shù)，其中參數(shù)key_p是指向16字節(jié)密鑰的指針。

　　void TripleDes(unsigned char *data_p,unsigned char* key_p,int type)//data待加密數(shù)據(jù)，key為

　　{ //密鑰，type表示加密或解密

　　des(data_p, key_p, type); // DES加密

　　des(data_p, &key_p[8], !type); // DES解密

　　des(data_p, key_p, type); // DES加密

　　}

2.2 3DES算法在M1卡中的應(yīng)用

　　M1卡(即NXP Mifare1系列)及與其兼容芯片的RFID卡是用得較多無(wú)線卡。公交卡、門禁卡、校園一卡通等都是使用的該系列的卡片。M1卡分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為4塊，每塊16個(gè)字節(jié)，以塊為存取單位，每個(gè)扇區(qū)的最后一塊一般用來(lái)存儲(chǔ)該扇區(qū)的物理密碼和訪問(wèn)控制信息^[8]，因此，用來(lái)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的塊共有47塊(16×3-1，0扇區(qū)0塊固定存儲(chǔ)卡序列號(hào)等信息)。