門(mén)禁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況及安全漏洞分析

一、引言

門(mén)禁系統(tǒng)是安防系統(tǒng)中最重要的子系統(tǒng)之一，而門(mén)禁控制器又是門(mén)禁系統(tǒng)的核心。許多生產(chǎn)安防設(shè)備的大廠都有自己品牌的門(mén)禁控制器，而且其中不乏國(guó)外的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品除了擁有我們所需要的穩(wěn)定性、可靠性之外，會(huì)不會(huì)也附帶一些安全上的隱患呢？這點(diǎn)需要我們給予充分的關(guān)注。

二、門(mén)禁控制系統(tǒng)概況

門(mén)禁控制器按照結(jié)構(gòu)區(qū)分，基本分成兩大類(lèi)。一類(lèi)是門(mén)禁控制一體機(jī)，另一類(lèi)是獨(dú)立的門(mén)禁控制器。門(mén)禁控制一體機(jī)是一種安全性相對(duì)比較低的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，因?yàn)檫@類(lèi)門(mén)禁控制器將門(mén)禁系統(tǒng)的身份識(shí)別部分和處理控制部分集成在一個(gè)設(shè)備里。這樣在安裝設(shè)備時(shí)，必然將整機(jī)安裝在門(mén)外，無(wú)形中增加了設(shè)備被破壞的可能。而單獨(dú)的門(mén)禁控制器是通過(guò)信號(hào)線與身份識(shí)別部分進(jìn)行連接，通過(guò)信號(hào)線傳遞識(shí)別信息，完成開(kāi)門(mén)操作。這樣在安裝設(shè)備時(shí)，可將控制器安裝在門(mén)內(nèi)，增加了設(shè)備的安全性。在這里我們主要討論獨(dú)立的門(mén)禁控制器的安全問(wèn)題。

獨(dú)立的門(mén)禁控制器與前端識(shí)別設(shè)備之間需要進(jìn)行通訊，現(xiàn)在使用的通訊方式基本上為兩種，一種是使用RS485總線進(jìn)行通訊，另一種使用韋根線進(jìn)行通訊。

RS485通訊使用雙絞線進(jìn)行半雙工通訊，采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，傳輸距離可以達(dá)到數(shù)公里，可實(shí)現(xiàn)高速的信息傳送。RS485通訊采用總線式的連接方式，可保證多臺(tái)設(shè)備正常工作，而且它是串行通訊，所以每臺(tái)拄接在總線上的設(shè)備有自己的ID地址，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)，系統(tǒng)保證總線上只有一臺(tái)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，其它設(shè)備處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)；設(shè)備之間采用自定義的協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

采用RS485方式進(jìn)行通訊的門(mén)禁控制器可掛接多個(gè)讀卡器，傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程如圖1。每一個(gè)讀卡器和門(mén)禁控制器都有自己的ID地址，RS485網(wǎng)絡(luò)上傳遞的數(shù)據(jù)都包含地址信息，在網(wǎng)絡(luò)上只有一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，其它設(shè)備都會(huì)接收數(shù)據(jù)，對(duì)于目的是自己的數(shù)據(jù)，設(shè)備會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的處理，而不是以自己為目的的命令將被拋棄。在這樣的門(mén)禁系統(tǒng)中，門(mén)禁控制器通過(guò)輪巡的方式，完成一個(gè)門(mén)禁控制器管理多個(gè)讀卡器的功能。

圖1數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

韋根通訊是一種經(jīng)常在安防系統(tǒng)中使用、通過(guò)兩芯線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)近距離通訊的通用通訊協(xié)議，最常用的格式有Weigand26，它通過(guò)DATA 0和DATA 1兩條數(shù)據(jù)線分別傳送數(shù)據(jù)“0”和“1” ，每幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為26Bit。它利用在兩條通訊數(shù)據(jù)線上分別產(chǎn)生的脈沖生成數(shù)據(jù)序列，通訊距離大約10米左右。

三、安全問(wèn)題提出

比較兩種常用的通訊模式。RS485總線通訊采用廠家自己定義的協(xié)議，而韋根采用通用協(xié)議。自定義協(xié)議會(huì)有更多的設(shè)計(jì)空間，這里我們主要針對(duì)這種通訊模式進(jìn)行研究和探討。由于在門(mén)禁系統(tǒng)中，門(mén)禁控制器多數(shù)是通過(guò)RS485總線連接感應(yīng)讀卡器、鍵盤(pán)、磁卡讀卡器、指紋讀卡器等前端設(shè)備，而使用RS485串行總線進(jìn)行通訊的設(shè)備需要依照自定義的通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此。生產(chǎn)門(mén)禁控制器的生產(chǎn)廠家都會(huì)生產(chǎn)與之配套的前端設(shè)備。這樣就會(huì)出現(xiàn)在門(mén)禁系統(tǒng)中門(mén)禁控制器、前端設(shè)備以及它們之間的通訊協(xié)議是由一個(gè)生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)的情況。在這種情況下，就不能夠排除門(mén)禁控制器“后門(mén)卡”存在的可能性。這里所說(shuō)的“后門(mén)卡”是指門(mén)禁控制器生產(chǎn)廠為了某些目的，在門(mén)禁控制器上預(yù)留后門(mén)，當(dāng)使用某些特定的卡片或是結(jié)合某些特定的操作之后，使用這些未被注冊(cè)的卡片就可以啟動(dòng)門(mén)禁控制器打開(kāi)門(mén)鎖。如果門(mén)禁系統(tǒng)遭到“后門(mén)卡”的攻擊，我們的門(mén)禁系統(tǒng)就會(huì)在瞬間被輕易攻破，同時(shí)也意味著為加固周界所做的努力瞬間便付之東流。雖然這只是一種推測(cè)。但從技術(shù)層面來(lái)講，實(shí)現(xiàn)這種“后門(mén)卡”功能完全是可能的。這也正是我們的用戶(hù)，特別是對(duì)安全有著特殊要求的用戶(hù)，所擔(dān)心的一個(gè)問(wèn)題。

四、解決方案

1．門(mén)禁控制器工作原理

為了阻斷“后門(mén)卡” 的通路。我們必須首先熟悉門(mén)禁系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的工作原理，了解各個(gè)設(shè)備是如何協(xié)調(diào)工作的，掌握其運(yùn)行的機(jī)制，這樣就可以找到解決問(wèn)題的辦法。為了說(shuō)明問(wèn)題，我們可以構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)化的門(mén)禁系統(tǒng)模型。在這個(gè)模型中，使用一個(gè)門(mén)禁控制器控制管理一個(gè)感應(yīng)讀卡器，設(shè)備之間通過(guò)RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)的工作流程如圖

圖2 門(mén)禁系統(tǒng)工作流程

門(mén)禁控制器工作在兩種模式之下。一種是巡檢模式，另一種是識(shí)別模式。在巡檢模式下，控制器不斷向讀卡器發(fā)送查詢(xún)代碼，并接收讀卡器的回復(fù)命令。這種模式會(huì)一直保持下去，直至讀卡器感應(yīng)到卡片。當(dāng)讀卡器感應(yīng)到卡片后，讀卡器對(duì)控制器的巡檢命令產(chǎn)生不同的回復(fù)，在這個(gè)回復(fù)命令中，讀卡器將讀到的感應(yīng)卡內(nèi)碼數(shù)據(jù)傳送到門(mén)禁控制器，使門(mén)禁控制器進(jìn)入到識(shí)別模式。

在門(mén)禁控制器的識(shí)別模式下，門(mén)禁控制器分析感應(yīng)卡內(nèi)碼，同設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)的卡片數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，并實(shí)施后續(xù)動(dòng)作。門(mén)禁控制器完成接收數(shù)據(jù)的動(dòng)作后，會(huì)發(fā)送命令回復(fù)讀卡器，使讀卡器恢復(fù)狀態(tài)，同時(shí)，門(mén)禁控制器重新回到巡檢模式。

2．?dāng)?shù)據(jù)篩選器的工作原理

通過(guò)上面門(mén)禁控制器和讀卡器的工作流程，可以看出要實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)，需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：

1）感應(yīng)讀卡器讀取感應(yīng)卡信息，獲取感應(yīng)卡內(nèi)碼；

2）感應(yīng)讀卡器將感應(yīng)卡信息傳遞到門(mén)禁控制器；

3）門(mén)禁控制器對(duì)讀取的感應(yīng)卡數(shù)據(jù)和系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)信息進(jìn)行比對(duì)；

4）門(mén)禁控制器根據(jù)判斷結(jié)果，控制電路實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)。

其中步驟1在讀卡器內(nèi)部完成，步驟3、4在門(mén)禁控制器中完成，它們已經(jīng)固化到設(shè)備 當(dāng)中，無(wú)法改變。而第2步是通過(guò)連接兩個(gè)設(shè)備的RS485通訊線完成的，這為我們從根本上阻止“后門(mén)卡”創(chuàng)造了條件。

我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)稱(chēng)為數(shù)據(jù)篩選器的設(shè)備，該設(shè)備串行安裝在數(shù)據(jù)通訊的通道上，對(duì)所有刷卡的內(nèi)碼先行經(jīng)過(guò)該設(shè)備的比對(duì)，對(duì)認(rèn)可的數(shù)據(jù)，將卡片內(nèi)碼數(shù)據(jù)發(fā)送到門(mén)禁控制器進(jìn)行后續(xù)操作；對(duì)不被認(rèn)可的數(shù)據(jù)，直接將數(shù)據(jù)丟棄；這就使得那些“后門(mén)卡” 的數(shù)據(jù)根本無(wú)法發(fā)送到門(mén)禁控制器，從而從根本上截?cái)嗔恕昂箝T(mén)卡”信息的通路。以下就是數(shù)據(jù)篩選器的工作框圖。

圖3數(shù)據(jù)篩選器的工作框圖

數(shù)據(jù)篩選器如同門(mén)禁控制器一樣，一般工作在巡檢模式下，它不斷向感應(yīng)讀卡器發(fā)送巡檢數(shù)據(jù)，并且等待獲取感應(yīng)卡內(nèi)碼數(shù)據(jù)。在這個(gè)過(guò)程中，感應(yīng)讀卡器已經(jīng)完全和門(mén)禁控制器分離，門(mén)禁控制器對(duì)它的巡檢命令完全由數(shù)據(jù)篩選器完成。只有當(dāng)數(shù)據(jù)篩選器獲取到卡信息并通過(guò)自身驗(yàn)證之后，才將數(shù)據(jù)送到門(mén)禁控制器。建立起感應(yīng)讀卡器和門(mén)禁控制器的聯(lián)系。數(shù)據(jù)篩選器進(jìn)行自身驗(yàn)證的數(shù)據(jù)源是經(jīng)可靠途徑獲取的卡片內(nèi)碼數(shù)據(jù)?！昂箝T(mén)卡”的內(nèi)碼不可能被傳遞到數(shù)據(jù)篩選器中，從而阻止了“后門(mén)卡”的攻擊。

3．?dāng)?shù)據(jù)篩選器的硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上思路，可使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)硬件電路設(shè)計(jì)，硬件框圖如圖4所示。單片機(jī)的～個(gè)串口，同門(mén)禁控制器以及讀卡器進(jìn)行通訊，這個(gè)串口通過(guò)切換電路來(lái)保證在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上只能和兩種設(shè)備之一進(jìn)行通訊，所有傳送到門(mén)禁控制器的命令全部是經(jīng)過(guò)單片機(jī)程序確認(rèn)的合法命令，這樣就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的篩選和隔離。同時(shí)，單片機(jī)還要通過(guò)另一個(gè)串口，監(jiān)聽(tīng)門(mén)禁控制器與控制計(jì)算機(jī)之間的通訊，通過(guò)解析通訊內(nèi)容，來(lái)獲取合法的感應(yīng)卡內(nèi)碼數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)大容量E PROM中，作為數(shù)據(jù)比對(duì)的依據(jù)。

4．?dāng)?shù)據(jù)篩選器軟件流程

串口是聯(lián)系門(mén)禁控制器和感應(yīng)讀卡器的通訊端口。在巡檢模式下，數(shù)據(jù)篩選器通過(guò)串口，模擬門(mén)禁控制器。向感應(yīng)讀卡器發(fā)送查詢(xún)命令；感應(yīng)讀卡器沒(méi)有被刷卡，發(fā)送沒(méi)有感應(yīng)卡的回復(fù)命令；數(shù)據(jù)篩選器進(jìn)行下一輪查詢(xún)。

當(dāng)感應(yīng)讀卡器有刷卡后，卡片數(shù)據(jù)會(huì)傳送到數(shù)據(jù)篩選器。數(shù)據(jù)篩選器進(jìn)入到識(shí)別模式，將卡片數(shù)據(jù)與本地存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如果數(shù)據(jù)不存在。則將數(shù)據(jù)丟棄，并回復(fù)感應(yīng)讀卡器數(shù)據(jù)已經(jīng)接收。數(shù)據(jù)篩選器返回到巡檢模式并開(kāi)始下一輪查詢(xún)。

如果數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中被找到，說(shuō)明這張卡是一張合法卡，則應(yīng)該將數(shù)據(jù)發(fā)送到門(mén)禁控制器。此時(shí)，設(shè)備首先進(jìn)行串口的切換，使單片機(jī)和門(mén)禁控制器進(jìn)行通訊。將從感應(yīng)讀卡器接收的數(shù)據(jù)原樣發(fā)送到門(mén)禁控制器。并等待接收門(mén)禁控制器的回復(fù)；收到回復(fù)后。再次將串口切換回同感應(yīng)讀卡器進(jìn)行通訊，轉(zhuǎn)發(fā)門(mén)禁控制器的回復(fù)命令；完成數(shù)據(jù)的傳送之后，數(shù)據(jù)篩選器回到巡檢狀態(tài)，進(jìn)行下一輪查詢(xún)。具體的比對(duì)流程如圖5所示。

數(shù)據(jù)篩選器通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)門(mén)禁控制器與控制計(jì)算機(jī)之間的通訊，從中獲取合法的感應(yīng)卡內(nèi)碼數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)篩選器的E PROM中，作為將來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)的依據(jù)。其工作流程如下：數(shù)據(jù)篩選器監(jiān)聽(tīng)計(jì)算機(jī)發(fā)送給門(mén)禁控制器的所有命令，通過(guò)解析，獲取所有對(duì)卡片進(jìn)行增、刪、改的內(nèi)部操作命令，根據(jù)命令，相應(yīng)地將E2pROM中存儲(chǔ)的感應(yīng)卡內(nèi)碼數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、改，保證數(shù)據(jù)篩選器內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與門(mén)禁控制器的合法數(shù)據(jù)保持一致。具體操作流程如圖6所示：

在現(xiàn)實(shí)中，由于門(mén)禁控制器、前端設(shè)備以及它們之間的通訊協(xié)議均由同一生產(chǎn)廠商生產(chǎn)，因此可能存在“后門(mén)卡” 的安全隱患。對(duì)于特殊部門(mén)、要害部門(mén)來(lái)說(shuō)，他們對(duì)安全有著特殊的要求，在使用門(mén)禁系統(tǒng)保護(hù)安全的同時(shí)，也關(guān)心設(shè)備自身的安全性、可靠性。筆者在文中提出的數(shù)據(jù)篩選器構(gòu)想可以有效的防止“后門(mén)卡”對(duì)門(mén)禁系統(tǒng)的攻擊，保障門(mén)禁系統(tǒng)自身的安全。