3DES加密算法在STC單片機系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

引言

RFID(無線射頻識別)技術(shù)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造、物流管理、公共安全等多個領(lǐng)域。特別是13.56MHz的RFID以其獨特的優(yōu)勢在公共交通、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年德國研究員亨里克·普洛茨(Henryk Plotz)和弗吉尼亞大學(xué)計算機科學(xué)在讀博士卡爾斯滕·諾爾(Karsten Nohl)成功地破解了由NXP收購來的的Mifare經(jīng)典非接觸IC卡(M1卡)的安全算法以來，RFID技術(shù)的安全性受到了前所未有的挑戰(zhàn)。為了防止RFID卡被破解、復(fù)制，采用3DES加密算法和時間戳算法對M1卡中的數(shù)據(jù)進行邏輯加密保護，并在較低配置的單片機系統(tǒng)中進行了驗證，實驗結(jié)果達到了預(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)實現(xiàn)

為了驗證，硬件主控系統(tǒng)采用宏晶科技公司的51系列單片機STC15L2K32S2，復(fù)旦微電子公司的FM1702無線射頻芯片，及常用的DS1302時鐘模塊、W25Q32存儲器以及按鍵、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存儲系統(tǒng)重要密碼參數(shù)等信息。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時鐘模塊提供當(dāng)前時間，可以使用該時間生成一個4字節(jié)的加密時間戳，加強防止卡被非法復(fù)制。W25Q32存儲器用于存儲卡的加密序列號和時間戳。

2、 3DES加密算法實現(xiàn)

2.1 3DES算法在STC單片機中的實現(xiàn)

3DES加密算法，是在DES算法基礎(chǔ)上實現(xiàn)的一種增強型的加密算法。它相當(dāng)于是對每個數(shù)據(jù)塊應(yīng)用三次DES加密算法，即通過增加DES的密鑰長度來避免外來的暴力攻擊?；A(chǔ)的DES算法是一種分組對稱加密、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)點是算法公開、計算量小、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算法對明文數(shù)據(jù)按8字節(jié)進行分組處理，即明文按64位分組，密鑰長度也是64位，其中8位為奇偶校驗位。首先使用一個IP置換表對要加密的一組數(shù)據(jù)進行初始IP置換，對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f函數(shù)對L0和R0實施16輪迭代運算，最后使用一個IP-1逆置換表對數(shù)據(jù)作逆置換給出加密的結(jié)果。在16輪迭代運算過程中，每次加密迭代使用不同的48位子密鑰K1…K16，這16個子密鑰是由64位密鑰通過選擇置換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算進行16輪循環(huán)迭代運算來實現(xiàn)的，在單片機中用Keil C語言實現(xiàn)算法時需要編寫相應(yīng)的基本運算操作函數(shù)，并設(shè)計一些基本的參數(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語言的數(shù)組來實現(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。

DES解密過程的邏輯結(jié)構(gòu)和加密過程一致，但解密過程中使用的子密鑰的順序與加密時的順序正好相反，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算法是用兩個密鑰(EDE2模式，即Key1 = Key3，Key2)對明文實施加密-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個扇區(qū)，每個扇區(qū)為4塊，每塊16個字節(jié)，以塊為存取單位，每個扇區(qū)的最后一塊一般用來存儲該扇區(qū)的物理密碼和訪問控制信息[8]，因此，用來存儲用戶數(shù)據(jù)的塊共有47塊(16×3-1，0扇區(qū)0塊固定存儲卡序列號等信息)。

在STC單片機內(nèi)部的EEPROM中需要存儲兩種密碼，一種是讀取M1卡時需要驗證的物理密碼，另一種是3DES算法用到的加密、解密的邏輯密碼，M1卡的物理密碼一般是12個字節(jié)，3DES算法的邏輯密碼是16個字節(jié)。當(dāng)需要往M1卡中寫入數(shù)據(jù)時，單片機把事先存儲在STC15單片機的EEPROM中16字節(jié)邏輯密鑰讀取到password[16]數(shù)組中，然后把要寫入M1卡中的數(shù)據(jù)按照8個字節(jié)一組進行3DES算法加密，當(dāng)達到16個字節(jié)后寫入用戶指定的扇區(qū)塊中，如果加密數(shù)據(jù)不夠8個字節(jié)，按照約定進行補零以滿足3DES算法要求。當(dāng)單片機控制射頻芯片驗證物理密碼并讀取到M1卡中的數(shù)據(jù)后，按照8個字節(jié)一組進行3DES算法解密，并把解密后的明文數(shù)據(jù)返回給用戶。如果不知道3DES算法的16位邏輯密鑰，即使非法讀取到了M1卡中的數(shù)據(jù)也無法得到其明文，從而達到了防止數(shù)據(jù)被破解的目的。

如果得到了卡中的密文，盡管無法得到其明文，但是攻擊者可以對卡進行完全復(fù)制，包括復(fù)制第0扇區(qū)第0塊的卡序列號等信息(如UID卡即可修改其0扇區(qū)第0塊的內(nèi)容)，為了防止攻擊者對M1卡中的數(shù)據(jù)進行復(fù)制到另一張M1卡中，需要在STC單片機的EEPROM或者外部存儲器中建立一個存儲卡序列號和時間戳的系統(tǒng)表，卡序列號和時間戳各占4個字節(jié)。每當(dāng)單片機系統(tǒng)對卡進行一次操作之后，就要在卡中和系統(tǒng)表中都寫入新的時間戳，當(dāng)兩張完全一樣的復(fù)制卡先后被系統(tǒng)讀取到之后，由于系統(tǒng)在先被讀取的復(fù)制卡中寫入了新的時間戳信息，從而把另一張復(fù)制卡標(biāo)識為非法卡，也就是說，無論攻擊者復(fù)制了多少張完全相同的卡，只有最先被系統(tǒng)讀取到那一張能正常使用，從而，防止了卡被復(fù)制。時間戳是STC單片機從DS1302中讀取出來的年、月、日、時、分、秒之后經(jīng)過相應(yīng)的移位操作而合成的一個四字節(jié)無符號變量。時間戳的合成方法如圖4所示。系統(tǒng)處理總體流程圖如圖5所示。

根據(jù)圖4所示，時間戳的合成算法可以用以下語句來實現(xiàn)：

ts = ((INT32U)yr << 26) | ((INT32U)month << 22) | ((INT32U)day << 17);

ts |= ((INT32U)hr << 12) | ((INT32U)min << 6) | (INT32U)sec;

時間和日期也可以由單片機系統(tǒng)的定時器或者其他方法來實現(xiàn)。

3 、系統(tǒng)測試

為了對STC單片機在3DES算法加密、解密數(shù)據(jù)的正確性和運算能力進一步分析，對STC單片機系統(tǒng)進行了系統(tǒng)測試。在STC單片機RAM中建立一個容量為1K字節(jié)的數(shù)組test3des[1024]，并給它賦初始值，調(diào)用TripleDes函數(shù)進行加密，并通過串口發(fā)送到上位機顯示出來;把加密后的數(shù)據(jù)重新賦值給數(shù)組test3des[1024]，調(diào)用TripleDes函數(shù)進行解密，并發(fā)串口顯示，實際測試證明3DES算法是正確的?？紤]到STC單片機系統(tǒng)運行速度較低，如果讓STC單片機對加密、解密速度進行計算并處理，勢必會影響到結(jié)論的準(zhǔn)確性，為此，使用VC++編寫上位機軟件配合3DES算法處理速度測試。在STC單片機調(diào)用3DES算法加密、解密數(shù)據(jù)時，通過單片機串口發(fā)送到上位機一個開始命令，上位機軟件啟動精密計時，等STC單片機處理完數(shù)據(jù)時再給上位機軟件發(fā)送一個結(jié)束命令，上位機軟件停止計時，通過單片機處理的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和計時時間可以計算出STC單片機調(diào)用3DES算法加密、解密數(shù)據(jù)的速度。STC單片機在不同晶振頻率下3DES算法加密、解密測試對照表如表1所示。平均加密或解密時間是經(jīng)過10次測試取其平均值。

從表1的數(shù)據(jù)可知：在STC單片機運行在典型工作頻率22.1184MHz的情況下，3DES算法加密、解密的平均速度約為308.7bit/s，加密或解密M1卡一個塊數(shù)據(jù)(16個字節(jié))用時約為0.41s，完全達到了實際應(yīng)用的條件，而且，隨著所選用單片機或微處理器運行速度的提高，所用時間會更少。

4、 結(jié)論

通過分析3DES算法原理和防復(fù)制方法，在較低配置的STC單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)了3DES加密算法，并進行了實驗測試，得到了實驗測試結(jié)果，證明了3DES算法在非接觸式M1卡中應(yīng)用的可行性，這對保障RFID卡信息安全性和保密性具有重要的作用，在實際應(yīng)用中也具有一定的參考意義。

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