RFID讀寫器它獨立完成對符合ISO 15693標準的RFID卡的讀寫及控制操作,廣泛應(yīng)用于需以RFID卡作為存貯媒體的系統(tǒng)�。它可以作為用戶系統(tǒng)中的一部份,受控于主控制器,完成用戶系�(tǒng)�(shè)定的對RFID卡片的所有操�。用戶應(yīng)用本模塊,能夠簡便地�(gòu)成自己的智能卡應(yīng)用產(chǎn)品�
RFID讀寫器/讀寫模塊的核心部份包括一個控制用微處理器和一個RFID基站芯片。它能獨立完成對符合ISO 15693標準卡片的所有操�,它還具有與用戶主系�(tǒng)的串行通信能力,可根據(jù)用戶系統(tǒng)的命令完成對RFID卡的讀寫操�,并將所得數(shù)�(jù)返回給用戶系�(tǒng),這個用戶系�(tǒng)可以是一個主控板或PC機�
RFID讀寫模塊提供多種通信方式與用戶系�(tǒng)進行通信,極大地方便了用戶的�(lián)��
RFID讀寫器/讀寫模塊硬件主要由中央微處理器�89C52)、RFID基站芯片、高頻電�、模塊天�、RS232通信電路、復位電�、LED狀�(tài)顯示和喇叭驅(qū)動電路等組成�
其硬件結(jié)�(gòu)圖為�
RFID系列讀寫器/模塊可以完成對符合ISO 15693標準的卡片的所有讀寫操�,其操作由連接的主控系�(tǒng)�(fā)出的讀寫命令控制完成,具體可以完成如下功能�
·模塊操作:連接模塊,讀取模塊號�
·卡片呼叫:防沖突處理,讀取卡片序列號
·卡片靜止:使卡片處于靜止狀�(tài)
·讀取卡片系�(tǒng)信息
·選擇卡片
·復位卡片
·讀取卡片數(shù)�(jù)
·寫卡片數(shù)�(jù)
·鎖定卡片�(shù)�(jù)
·寫卡片的AFI
·鎖定卡片的AFI
·寫卡片的DSFID
·鎖定卡片的DSFID
·讀取卡片的“寫鎖定”位信息
RFID讀寫器系統(tǒng)包括如下部份� ·RFID讀寫器/讀寫模� 一� ·RFID 讀寫天� 一塊(如為讀寫器,則封裝在讀寫器之中� ·與PC機連接的通信電纜 一� ·RFID讀寫器開發(fā)資料及應(yīng)用程� 一冊(電子文檔,包含在CD中)
RFID讀寫器既可以直接連接到用戶PC機上,作為一個RFID卡讀寫器獨立使用,又可以作為�
戶應(yīng)用系�(tǒng)的一部份,嵌入到用戶系統(tǒng)中�
以下步驟說明RFID讀寫器連接到用戶PC機上的步�,用戶可以應(yīng)用本系統(tǒng)提供的測試軟件對
卡片進行操作,以熟悉對RFID卡的使用�
�(guān)閉計算機電源,拔出鍵盤;
將鍵盤的電纜接頭連接到RFID讀寫器通信電纜的相�(yīng)座中�
RFID讀寫器的電源是直接取自計算機鍵盤,對于無法與本電纜插頭配套的計算機,用戶可自行加入+5V 電源至RFID讀寫器/模塊中�
將RFID讀寫器的通信電纜插入到PC機鍵盤座�,連接好RS232串行插口�
連接RFID通信電纜和RFID讀寫模�;(RFID讀寫器的電纜線出廠時己連好�
將RFID天線與RFID模塊連接��
打開PC�,將RFID系統(tǒng)盤拷貝到計算機中,安裝系�(tǒng)軟件�
運行RFID讀寫器測試程序,執(zhí)行系�(tǒng)提供的各個測試命��
1� 讀寫器�(fā)送電路的架構(gòu)
無線電規(guī)范對讀寫器�(fā)射頻譜的要求十分嚴格。另�,協(xié)議要求的�(fā)送的�(diào)制方�、調(diào)制深度等決定了讀寫器�(fā)送電路的架構(gòu)�
�1是用于幅度調(diào)制的�(fā)射電路架�(gòu),包括本地振蕩(LO�、可變增益放大器(VGA)、功率放大器(PA)以及天線(Anta�,其中LO提供了發(fā)射電路的載波頻率,輸入數(shù)�(jù)通過VGA來調(diào)制發(fā)射載波,從而產(chǎn)生幅度調(diào)制信�。PA則把輸出功率進行放大,然后通過天線把信號發(fā)送出�。這種�(fā)射電路的�(jié)�(gòu)比較簡單,采用的硬件比較少�
�1 簡單幅度�(diào)制發(fā)射機架構(gòu)
�2是用于幅度和相位�(diào)制的�(fā)射電路架�(gòu),基于混頻器的發(fā)射電路架�(gòu)。與�1所示的�(fā)射電路架�(gòu)相比,圖2能夠滿足ISO18000-6對調(diào)制方式和�(diào)制深度的要求�
�2 幅度�(diào)制發(fā)射機架構(gòu)
2� 讀寫器�(fā)送電路的原理圖設(shè)�
根據(jù)ISO18000-6標準�(guī)�,設(shè)計RFID讀寫器�(fā)送設(shè)各的系統(tǒng)方案如圖3所��
�3 915MHz RFID讀寫器�(fā)送設(shè)備系�(tǒng)�(jié)�(gòu)
�(fā)送設(shè)備系�(tǒng)主要分為控制單元和射頻接口兩部分�
控制單元:由MCU和編碼電路構(gòu)�。控制單元擔負著以下任務(wù):(1)與�(yīng)用系�(tǒng)軟件PC端進行通信并執(zhí)行應(yīng)用系�(tǒng)軟件�(fā)來的命令。(2)控制與電子標簽的通信過程。(3)信號的編碼與解碼。(4)執(zhí)行反碰撞算法。(5)對電子標簽與讀寫器之間要傳送的�(shù)�(jù)進行加密和解密。(6)進行讀寫器和電子標簽之間的身份驗證。為了完成這些復雜的任�(wù)以及后續(xù)的信號處�,MCU擬采用ARM7系列32位微處理��
射頻接口:完成對編碼信號的調(diào)�、濾泀放��
在REID讀寫器�,發(fā)送設(shè)備不是獨立的,而是與接收設(shè)備配合工作的。環(huán)形器的作用是實現(xiàn)信號�(fā)送與接收的時分復��
915MHz REID讀寫器�(fā)送設(shè)各的工作過程如下�
?�?)MCU微控制器接收計算機發(fā)來的操作命令,啟動應(yīng)用程�,將相應(yīng)的操作命令發(fā)送到編解碼電路�
?�?)編碼電路根�(jù)MCU微控制器傳來的操作命令進行編碼,形成基帶信號送到整形電路和限幅電路進行處理,處理后的信號送往混頻器(上變頻)�
?�?)混頻器將編碼電路送來的基帶信號與本振信號混頻,進行ASk�(diào)��
�4)調(diào)制信號經(jīng)帶通濾波器濾波,再�(jīng)功率放大器放�,再送往天線放大器放�,形成最終的�(fā)射信��
�5)環(huán)形器將天線放大器電路傳來的功率信號送至天線,發(fā)給電子標��
其中,頻率合成器�(chǎn)生的本振信號的頻率控�、調(diào)制深度設(shè)�、功率放大器增益控制均由MCU微控制器根據(jù)通信�(xié)議以及系�(tǒng)工作條件等因素完��
隨著電子信息技�(shù)的發(fā)展,非接觸式智能�(如RFID�)已經(jīng)在我們的生活中隨處可�。與傳統(tǒng)的接觸式�、磁卡相�,利用射頻識別技�(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�,正逐漸取代傳統(tǒng)的接觸式IC�,成為智能卡�(lǐng)域的新潮�。然�,由于RFID系統(tǒng)的數(shù)�(jù)交流處于開放的無線狀�(tài),外界容易對系統(tǒng)實施各種信息干擾及信息盜��
鑒于RFID系統(tǒng)�(shù)�(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�(shè)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�;在軟件系統(tǒng)實現(xiàn)方面,提出了一系列安全�(xié)�,如:Hash�、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(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�(tǒng)�,比較流行采用兼容ISO/IEC 14443�(xié)議的Mifare 1系列智能�,其本身具有3次相互認證的安全�(xié)�,但其安全性仍有漏�,有必要在它安全機制基礎(chǔ)�,引入一種數(shù)�(jù)加密算法來進一步保障數(shù)�(jù)通信的安全性。TEA算法作為一種微型的加密算法,有著簡�、快�、安全性能好等特點,在電子�(chǎn)品開�(fā)�(lǐng)域得到了廣泛�(yīng)�,例如PDA�(shù)�(jù)加密、嵌入式通信加密等領(lǐng)�,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��
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)�(jù)的動�(tài)變換,來解決RFID系統(tǒng)�(yīng)用中所面對的非法讀�、竊聽、偽裝哄騙及重放等攻��
1 XXTEA加密算法原理
在數(shù)�(jù)的加解密�(lǐng)�,算法分為對稱密鑰與非對稱密�2�。對稱密鑰與非對稱密鑰由于各自特點,所�(yīng)用的�(lǐng)域不盡相�。對稱密鑰加密算法由于其速度�,一般用于整體數(shù)�(jù)的加密,而非對稱密鑰加密算法的安全性能�,在�(shù)字簽名領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用�
TEA算法是由劍橋大學計算機實驗室的Wheeler DJ和Needham RM�1994年提�,以加密解密速度�,實�(xiàn)簡單著稱。TEA算法每一次可以操�64 bit(8 byte),采�128 bit(16 byte)作為Key,算法采用迭代的形式,推薦的迭代輪數(shù)�64�,最�32輪。為解決TEA算法密鑰表攻擊的問題,TEA算法先后�(jīng)歷了幾次改�,從XTEA到Block TEA,直至的XXTEAt。XTEA也稱作TEAN,它使用與TEA相同的簡單運算,�4個子密鑰采取不正�(guī)的方式進行混合以阻止密鑰表攻擊。Block TEA算法可以�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�(yīng)用于塊中的每個字,并且將它附加于被應(yīng)用字的鄰�。XXTEA使用跟Block TEA相似的結(jié)�(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�,使得對6輪加密次�(shù)的算法攻擊所需的明文數(shù)量由234上升�280,基本排除了暴力攻擊的可能�。本文描述的安全機制所采用的加密算法就是TEA算法中安全性能的改進版本——XXTEA算法�
XXTEA的加密輪次視�(shù)�(jù)長度而定,最少為6�,最多為32�,對�(yīng)的每輪加密過程如�1所示。圖1��+表示求和�+表示異或�>>表示右移�<<表示左移�
從圖1中可�,XXTEA算法主要包括加法、移位和異或等運算,它的�(jié)�(gòu)非常簡單,只需要執(zhí)行加法、異或和寄存的硬件即�,且軟件實現(xiàn)的代碼十分短小,具有可移植�,非常適合嵌入式系統(tǒng)�(yīng)�。由于XXTEA算法的以上優(yōu)點,它可以很好地�(yīng)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�2所�。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智能卡進行操作,再將Mifare 1卡中的數(shù)�(jù)由MCU進行加解密運�,返回到主機的數(shù)�(jù)管理系統(tǒng)�。在此過程中,假�(shè)MCU與PC后臺�(shù)�(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)�(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)�(jù)交換�
Mifare 1智能卡的安全性能在的電子攻擊面前變得日益單薄,且已被來自荷蘭的黑客破�,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)�,設(shè)置特定的安全機制,以保護RFID�(shù)�(jù)的安全��
整個系�(tǒng)的安全機制分�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)�(jù)進行的加密;動態(tài)地進行密碼的變�。加解密的函�(shù)�(shè)為:
Data[_]new=BTEA(Key,n,Data) (1)
式中:Data[_]new為數(shù)�(jù)進行加解密運算后的�;Key為XXTEA算法的密鑰;n是數(shù)�(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�,存�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�16 byte且是固定在閱讀器的存儲器之�。根�(jù)XXTEA算法的輸入與輸出�(shù)�(jù)的長度限�,以2個長整數(shù)組元為加解密運算的基本單位,�(guī)定控制扇區(qū)讀寫權(quán)限的密鑰KeyA,KeyB為XXTEA加密�(jié)果的�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�,任意扇區(qū)X與扇區(qū)Y的控制密碼是完全不相�(guān)�。由于Mifare 1卡的的序列號特�,在整個系�(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�(guān)的。序列號的得到不需要經(jīng)歷密碼校�,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�4字節(jié),而每次XXTEA加密的數(shù)組都�2個長整型的數(shù)組,可以�(guī)定x扇區(qū)的密碼為2個SNR所�(gòu)成的1�64 bit�(shù)組與公用密鑰Key[_]com進行加密的結(jié)�。假�(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�6 byte為KeyA。有價值數(shù)�(jù)�(nèi)容存在第Y個扇區(qū)�(nèi)�,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)�(jù)Data1�(jīng)過XXTEA加密算法得來。具體過程如�3所�。系�(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)�(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)�(jù)。讀取到的是已經(jīng)�(jīng)過XXTEA算法進行加密完的�(shù)�(jù)。所�,有必要對其進行解密,才能得到真正的�(shù)�(jù)。而數(shù)�(jù)寫入的過程與之對�(yīng),需要先將要寫入Y扇區(qū)的數(shù)�(jù)以Key3進行XXTEA加密運算,再將運算結(jié)果寫人到扇區(qū)Y�。由XXTEA算法的對稱密鑰特性可�,密鑰是與加密該�(shù)�(jù)的密鑰相�,固定存放于讀卡器的存儲器之中。具體過程如�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�,進行智能卡扇區(qū)Y密鑰的動�(tài)變換。將扇區(qū)X�(nèi)的數(shù)�(jù),用Key2進行再次的XXTEA算法加密,變化得到一個新的數(shù)�(jù)。該新的�(shù)�(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�,更改此密鑰為Data[_]new)iS對應(yīng)的密�,以便下次再次使用。具體如�4所��
3 RFID�(yīng)用系�(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�5所�。MF RC500讀寫芯片完全兼容于ISO/IEC 14443�(xié)�,且與MCU的接口多樣化,特別適合于嵌入式系�(tǒng)�(yīng)��
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�(tǒng)所需的加密算法的嵌入,讀取或?qū)懭藬?shù)�(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)�,按先后的順序為尋卡、防沖突、選�、密鑰校驗和之后的讀寫和增減值操�。MF RC500對Mifare 1卡的操作都是通過寫入Transceive命令至Regcommand寄存�,再將操作Mifare 1卡的命令以數(shù)�(jù)的形式存放于Regfifodata寄存器中,設(shè)置完收發(fā)時鐘的長度以�,就等待智能卡對讀寫命令的反應(yīng)。在足夠長的時間段之�(nèi),Mifare 1卡傳�?shù)�?shù)�(jù)就會在Regfifodata里面出現(xiàn),此�,先讀取Regfifolength以確定數(shù)�(jù)的長�,根�(jù)長度寫循�(huán)程序獲取智能卡返回的信息。圖6給出了系�(tǒng)上位機的界面。通過上位機,在正常操作智能卡的基�(chǔ)上,進行動態(tài)更新密碼的操�,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(shè)系統(tǒng)的公鑰Key[_]com為{0x00112233�0x44556677�0x8899AABB�0xCCDDEEFF),對于智能卡1,SNR為FDC71188,根�(jù)系統(tǒng)的規(guī)�,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�(jié)果的�6個字節(jié)作為扇區(qū)X的控制密�,即KeyA為D3A7BA0152。由此密碼得到了扇區(qū)X的Data1,假�(shè)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�(shè)Key1為{0x01234567�0x89ABCDEF�0x01234567�0x89ABCDEF},通過加密,得到了{0x4CEFBEC2�0xCSCBACE0},取�6 byte,則KeyB�4CEFBEC2C8。使用該密鑰獲得對扇區(qū)Y的控制權(quán),就可以對價值數(shù)�(jù)進行讀寫操作,這樣也避免了未經(jīng)授權(quán)的讀卡器想要非法對智能卡進行操作的情��
2)敏感�(shù)�(jù)的加解密:在Mifare 1智能卡中,數(shù)�(jù)是以塊為單位來存儲的,一�16 byte,可以由XXTEA直接運算得出加密�(jié)�。設(shè)需要寫入的�(shù)�(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},通過該密鑰進行XXTEA加密,得到加密后的數(shù)�(jù)為{0xA2�0xC6�0x6C�0x1A�0x3E�0x98�0x5E�0x48�0x7D�0xDA�0x68�0xC3�0x0C�0x23�0x1D�0x24}。將該數(shù)�(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�(shù)�(jù)。利用此種方�,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�(tài)變換:在進行完讀寫操作以�,為了保障智能卡的安�,要立刻進行密碼的變�。Data1�(jīng)過與key2的XXTEA運算�,變換為Data1[_]new。由此Datal[_]new推算出KeyB[_]new。假�(shè)Key2為{0xFEDCBA98�0x76543210�0x01234567�0x89ABCDEF},則Data1[_]new為{0x23FF28AA�0xA7684804},KeyB[_]new�3C7099D07F。此密碼在智能卡中必須同步更�,防止出�(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�
通過對實驗結(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�124 byte,在24 MHz外部晶振條件下,加密速率�(3�26±0�1)Kbps(p=0�01),解密速率�(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�,微小的�(shù)�(jù)改變將導致結(jié)果的重大變化。控制密鑰動�(tài)變換的根密鑰和智能卡�(shù)�(jù)的加密密鑰不�(jīng)過明文傳�,杜絕了RFID�(shù)�(jù)通信中出�(xiàn)的非法讀取和�(jiān)聽等威脅�
4 �(jié)�
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�。實驗結(jié)果表明,新方案能有效地提高RFID�(shù)�(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)�,包括金融交�、食品安全和公共安全��
維庫電子�,電子知�,一查百通!
已收錄詞�121015�