【正文】 的主要管理區(qū)的重要部位的通道口安裝門磁，電控鎖或控制器，讀 卡器等控制裝置，并設(shè)有管理人員在中心控制室監(jiān)控，能夠?qū)Ω魍ǖ揽诘奈恢?，? 行對(duì)象及通行時(shí)間，方向進(jìn)行實(shí)時(shí)控制或設(shè)定程序控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)出 /入口的安全 控制。 2) 設(shè)計(jì)出專門適合于大型企業(yè)和樓宇的局域網(wǎng)門禁系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方案。系統(tǒng)研究了 MFRC500 的讀寫流程，采用 C語言進(jìn)行系統(tǒng)的下位機(jī)程序的開發(fā)，完成了讀 /發(fā)卡器 與1C卡之間的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能。 MFRC500。 MFRC500。針對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件之間要建立起來 的通信協(xié)議，采用 ，并建立人性化的管理界面。主要介紹了射頻識(shí)別 (RFID)系統(tǒng)的概念、射頻識(shí)別系統(tǒng) 的組成及工作原理，著重闡述了非接觸式 1C卡技術(shù)的特點(diǎn)，并討論了 RFID的系統(tǒng)安 全性。包括讀卡器主程序介紹的設(shè)計(jì)和 讀卡程序的設(shè)計(jì)， 并且提出網(wǎng)絡(luò)門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 收發(fā)播塊 天 能優(yōu) 天 收發(fā)播塊 控制棋塊 控制％塊 接口棋塊 存儲(chǔ)器 計(jì)苴機(jī) 第 2 章基于 RFID的門禁系統(tǒng)理論研究基礎(chǔ) 射頻識(shí)別技術(shù)概述 射頻識(shí)別 (Radio Frequency Identification, RFID)技術(shù)是從八十年代逐漸走向成熟 的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是當(dāng)前最受人們關(guān)注的技術(shù)之一，該項(xiàng)技術(shù)既傳統(tǒng)也充滿新 意和活力。由于大規(guī)模集成電 路技術(shù)的 日益成熟，使得射頻識(shí)別系統(tǒng)的體積大大減少，從而進(jìn)入了實(shí)用化階段?？梢?，門禁系統(tǒng)將有更廣闊的發(fā) 展空間。 4) 大流量人流的快速通過，快速計(jì)數(shù)、快速考勤、快速驗(yàn)證。這種門禁系統(tǒng)常用于國防、軍事等單位。但是，由 于各大公司之間的競(jìng)爭(zhēng)激烈，為了在門禁市場(chǎng)中能分得一杯羹，現(xiàn)在，門禁產(chǎn)品價(jià) 格也在不斷的大幅下降，使得現(xiàn)今一套系統(tǒng)的報(bào)價(jià)在 1000 美元左右，已經(jīng)進(jìn)入了廣 泛運(yùn)用的時(shí)代。 國內(nèi)從事門禁系統(tǒng)有門吉利、捷順、北京青云等公司。經(jīng)濟(jì)的增長有時(shí)引發(fā)犯 罪的發(fā)生，而且商業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)使得商業(yè)情報(bào)的安全成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，迫切需 要對(duì)于進(jìn)第 2 章基于 RFDD 系統(tǒng)理論研究基礎(chǔ) 出一些重要機(jī)關(guān)、科研實(shí)驗(yàn)室、檔案館、以及關(guān)系到國計(jì)民生的公用事業(yè) 單位的控制中心、民航機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所的工作人員，給予進(jìn)出授權(quán)控制。隨著高科技的發(fā)展，智能化管理已經(jīng)走進(jìn)了人們的社 會(huì)生活，而門禁系統(tǒng)屬于智能化管理系統(tǒng)中的一種安防系統(tǒng)，具有對(duì)門戶出入控制、 實(shí)時(shí)監(jiān)控、保安防盜報(bào)警等多種功能。門禁系統(tǒng)可有效管理門的開啟與關(guān)閉，保證授權(quán)人員 自由出入，限制未授權(quán)人員進(jìn)入。基于 RFID 技術(shù)的門禁系統(tǒng)作為一 項(xiàng)先進(jìn)的高科技技術(shù)防范和管理手段，在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研、 工業(yè)、博物館、酒店、商場(chǎng)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、銀行、監(jiān)獄等，正是因?yàn)殚T禁技術(shù)應(yīng)用的 多樣性，功能的完善和廣泛的適應(yīng)性，已成為安防技術(shù)重點(diǎn)研究和開發(fā)的方向。門禁系 統(tǒng)出入口安全管制系統(tǒng)在各企業(yè)的安全防范中占有舉足輕重的地位，其應(yīng)用領(lǐng)域越 讀器 (又稱讀寫器、讀卡器 )，其基本組成如圖 21所示。 射頻卡中存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)為幾個(gè)比特到幾十千比特的數(shù)據(jù)，不僅可以存儲(chǔ)永久性 數(shù)據(jù)還可以存儲(chǔ)非永久性數(shù)據(jù)。射頻卡分為無源卡與有源卡， 有源卡有內(nèi)置天線和電池，而無源卡只有內(nèi)置天線沒有電池，工作能量由讀寫器提 供。 RFID同其它自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的比較 隨著計(jì)算機(jī)圖像處理和模式識(shí)別理論以及大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展與成 熟，實(shí)際應(yīng)用中涌現(xiàn)出多種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，目前主要有以下幾種：光符識(shí)別技術(shù) (OCR)、 磁字符識(shí)別技術(shù) (MICR)、 磁性條識(shí)別技術(shù) (MBR)、 機(jī)器視覺系統(tǒng) (NIVS)、 條 碼識(shí)別技術(shù)、1C卡識(shí)別技術(shù)及射頻識(shí)別技術(shù)。 OCR 技術(shù)由于 FRR 不高，逐步被條碼技術(shù)取代；磁字符識(shí)別技術(shù)專用于銀行業(yè) 務(wù)中，閱讀設(shè)備復(fù)雜；機(jī)器視覺系統(tǒng)通常被用于自動(dòng)分類和檢查產(chǎn)品的制造業(yè)中。一般的條碼是紙質(zhì)的，較易磨損，使用 壽命短。射頻卡是由 PVC密閉封裝的，不易損壞，適于在惡劣環(huán)境中使用。射頻 卡本身是 無源體，當(dāng)射頻卡進(jìn)入讀卡器的讀寫范圍，讀寫器發(fā)出的射頻信號(hào)被卡片 所接收。 Mifarel 卡簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)中采用的是 Mifarel射頻卡，其核心是 Philips公司的 MifarelICS50(01， 02, 03, 04)系列微芯片。 Mifarel 芯片內(nèi)建有高速的 CMOSEEPROM、 MCU等。 Anthm Unit 具有唯一的射頻卡系列號(hào)，且具有防重疊功能，當(dāng)在射頻卡讀寫設(shè)備天線有效工作 范圍內(nèi)出現(xiàn)重疊的多張射頻卡，讀寫設(shè)備能夠 通過防重疊功能在同一時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多 張卡片的識(shí)別。 Mifarel 射頻卡上還內(nèi)建了專項(xiàng)數(shù)學(xué)運(yùn)算電路，實(shí)現(xiàn)增值、減值的邏輯運(yùn)算功能， 典型的操作時(shí)間最長不超過 100ms， 其中包括射頻卡的認(rèn)證， 6個(gè)扇區(qū)的讀操作 (768bit， 2個(gè)扇區(qū)的認(rèn)證 )， 2個(gè) i 區(qū)的寫操作 (256bit)。其主要功能是接受讀寫器所 第 2 章基于 RFID 系統(tǒng)理論研究基礎(chǔ) 發(fā)送的頻率為 ，一路送入調(diào)制 /解調(diào)模塊，一路進(jìn)行波形 轉(zhuǎn)換，為卡片提供工作電壓。 Access Control)、 控制及算數(shù)運(yùn)算單元 (Controlamp?？ㄆ念愋?（ TagType) 號(hào)共 2個(gè)字節(jié)，可能為 :0004H,即代表該卡片類型為 Mifarel 系列內(nèi)核。 序列號(hào) serialNumber 存儲(chǔ)在卡片的 BlockO,共有 5 個(gè)字節(jié)，實(shí)際有用的為 4 個(gè) 字節(jié)，另一個(gè)字節(jié)為序列號(hào) SerialNumber 的校驗(yàn)字節(jié)。在操作進(jìn)行完 以后，讀卡器將與其通信的卡片置于 HALT狀態(tài)，而此時(shí)未被選中的卡片就可以通過 防沖突命令再次進(jìn)入選擇循環(huán)。在 k 寫器收到這一字節(jié)信息后， 便可確定能夠?qū)ㄆM(jìn)行 下一步的操作，然后進(jìn)行密鑰的下載和校驗(yàn)。當(dāng)完成 Select 命令后，對(duì)卡片的操作還需進(jìn)行 Mifarel規(guī)定的三次相互驗(yàn)證環(huán)節(jié)，并開啟數(shù)據(jù)通信 的 CryPtol 加密傳輸。 (C) 環(huán)： Mifarel卡片收到 TOKENAB后，對(duì) TOKENAB的加密的部分進(jìn)行解密， 并校驗(yàn)第一次由 (A)環(huán)中 Mifarel 卡片發(fā)出去的隨機(jī)數(shù) RB是否與 (B)環(huán)中接收到的 TOKENAB中的 RB相一致； (D) 環(huán)： 如果 (C)環(huán)校驗(yàn)是正確的，則 Mifiarel 卡片向讀寫器發(fā)送令牌 TOKEN BA 給讀寫器； (E) 環(huán)：讀寫器收到令牌 TOKNEAB后，讀寫器將對(duì)令牌 TOKEN(BA)中的 RB(隨 機(jī)數(shù) )進(jìn)行解密，并校驗(yàn)第一次由 (B)環(huán)中讀寫器發(fā)出去的隨機(jī)數(shù) AR 是否與 (D)環(huán)中接 收到的TOKNEAB中的 AR 相一致。 此單元主要對(duì)整個(gè)卡片的其他 各個(gè)單元實(shí)行微操作控制，統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理卡片操作的 各個(gè)步驟；同時(shí)它還對(duì)卡片接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)邏輯算術(shù)運(yùn)算處理，遞增 /遞減處 理， CRC 運(yùn)算處理等。同 時(shí)，卡片運(yùn)行所需要的必要的程序指令被固化于 ROM 中，控制及算 術(shù)運(yùn)算單元通過調(diào)用這些指令來實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行微指令控制，使卡片與讀寫器 的數(shù)據(jù)通信能夠有條不紊的進(jìn)行。 Mifarel 的工作原理 當(dāng) Ml 卡接受到由讀卡器發(fā)送的一組固定頻率的電磁波，在電磁波的激勵(lì)下，卡 片的 LC串聯(lián)諧振電路，由于其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，使得卡片中的 LC諧振 電路產(chǎn)生共振，從而使卡片的內(nèi)置電容內(nèi)有了電荷，并通過在此電容另一端接有的 一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖脤㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)所積累的電荷達(dá) 到 2V 時(shí)，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收 讀寫器的數(shù)據(jù)。在非接觸通訊中，為了保證讀寫器和卡 片之間數(shù)據(jù)傳遞完整、可靠 ，采取以下措施：一是防沖突算法，二是通過 16位 CRC 糾錯(cuò)，三是檢查每字節(jié)的奇偶校驗(yàn)位，四是檢查位數(shù)，五是用編碼方式來區(qū)分“ 1”、 “ 0”或無信息，而 Mifarel 卡片采用的是防沖突算法，在進(jìn)行硬件復(fù)位后就進(jìn)入防沖突 機(jī)制。并且只有通過了防沖突機(jī)制以后才能選定卡片和通過認(rèn) 證，此后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一系列功能。目前 RFID系統(tǒng)的安全 隱私問題主要集中在 RFID 標(biāo)簽與讀寫器之間。 (3) 標(biāo)簽數(shù)據(jù)的非法篡改這些將給 RFID系統(tǒng)帶來嚴(yán)重影響。專有通信協(xié)議是一套非公有的通信 協(xié)議和加解密方案。 (4) 屏蔽標(biāo)簽被屏蔽就意味著喪失了 RF特征。當(dāng)標(biāo)簽接收到這個(gè)命令之后，其功能便被終止，不能再采用發(fā)射和接收 數(shù)據(jù)。因?yàn)楫?dāng)標(biāo)簽被殺 死后，相應(yīng)的信息系統(tǒng)將不能再識(shí)別該標(biāo)簽數(shù)據(jù)。比如，標(biāo)簽的數(shù)據(jù)在閱讀器發(fā)送解鎖數(shù)據(jù)的密碼之前一直處于鎖定狀態(tài)。這一方法可以把阻止非授權(quán)的閱讀器讀取某個(gè)標(biāo)簽的 子集。 (9) 推薦安全策略只采用單一的手段是不能徹底保證 RFID應(yīng)用的安全。盡管現(xiàn)在業(yè)界一直在宣揚(yáng)低成本的標(biāo)簽， 但是隨著 RFID技術(shù)正逐步進(jìn)入人們 的日常生活，其安全問題是遲早要解決的。此外，提出了符合 RFID低功耗要求的芯片設(shè) 計(jì) [丨 7~2〇 ]。這是一種低廉的安全措施，每張標(biāo)簽的成本僅提高〇 .〇 5 美元。 Sarnia^ Weis， Engels提議采用在流通過程中消除標(biāo)簽的 ID號(hào)在作為反跟蹤的對(duì) 策，同時(shí)他們也提出了對(duì)標(biāo)簽內(nèi)的信息的保護(hù)和介紹了在讀卡器和標(biāo)簽之間進(jìn)行相 互認(rèn)證的方法來實(shí)現(xiàn)訪問控制。 身份驗(yàn)證 認(rèn)證是指物體向其通信對(duì)象聲明身份，這樣就能有效地避免之前所提到的安全河北科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 問題。只有經(jīng)過授權(quán)的讀卡器 才能對(duì) 卡片實(shí)行讀寫功能。所以我們選用的是第二種認(rèn)證方 式，詢問 回答認(rèn)證技術(shù)，而這也是被現(xiàn)今的 RFID技術(shù)所廣泛采用的。也有人試圖 去設(shè)計(jì)一種節(jié)約資源的非對(duì)稱密鑰的算法，如 NTRU算法就曾被應(yīng)用于 RFID系統(tǒng)， 但它卻也顯示出一些安全上的缺陷。此外，也非常適合用硬 件實(shí)現(xiàn)。 由 B 向A隨機(jī)發(fā)送一組數(shù)據(jù) rB， A用相同的密鑰 K 將接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并且回送給 B。由 B向 A發(fā)送一組隨機(jī)數(shù)據(jù) rB, A 利用公共密鑰 K 加密數(shù)據(jù) rB并且將加密后的隨機(jī)生成的一組數(shù)據(jù) rA— 同傳送給 BoB 經(jīng) 過解密 rB來驗(yàn)證 A的身份并獲得 rA。通過改進(jìn)身份認(rèn)證協(xié)議，即使是在沒有采用 AES算法的情況下， 單向和雙向的身份認(rèn)證都可實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)中所選用的認(rèn)證協(xié) 議中，讀卡器對(duì)標(biāo)簽的認(rèn)證采用 AES算法。將所提 出的詢問 應(yīng)答方式的身份認(rèn)證協(xié)議兼容到 ISO/IEC18000 標(biāo)準(zhǔn)中，需要一些額外的考 慮。 由于低功耗 的限制，對(duì)于 RFID內(nèi)部時(shí)鐘的頻率有一定的限制，并且現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn) 要求在發(fā)出詢問指令后的 320 叫內(nèi)作出回應(yīng)，否則卡片將被認(rèn)為是沒有被激活。通常情況下，一 個(gè)閱讀器在某個(gè)特定環(huán)境中是要對(duì)多個(gè)標(biāo)簽來進(jìn)行身份驗(yàn)證，通過在內(nèi)存中檢索所 管轄標(biāo)簽的惟一的 ID 號(hào)和反碰撞序列碼，讀卡器發(fā)送一個(gè)詢問指令 C^ljTagl。的指令。 此協(xié)議在 RFID高層通信模型中通過了評(píng)測(cè)，并且可以作為未來研究 RFID身份驗(yàn) 證的新的理念。 RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì) 圖 28 描述了 一 個(gè)增強(qiáng)型安全 RFID標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)。再者，它允許讀寫 EEPROM和 AES 模塊 。在隨后的內(nèi)容中將介紹功耗、晶片面積和 AES 模塊。因此，限制性因素就是標(biāo)簽的電源和調(diào)制與解調(diào)信號(hào)的長度 。如第 3 節(jié)所述，這樣在加密一個(gè) 128 比 特的數(shù)據(jù)塊時(shí)就有一個(gè) 18ms 的可用時(shí)隙。 AES 體系結(jié)構(gòu) 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES)是一種對(duì)稱的加密算法，標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所于 2021年提出這個(gè) 算法，以此作為聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn) FIPS197。我們提出的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)使用一個(gè) 128 比特的固定密 鑰。 STATE矩陣的每個(gè)比特都 受以下這些轉(zhuǎn)換項(xiàng)的影響： ’ (1) SubBytes 可代替 STATE中的每 一 個(gè)比特。 (2) ShiftRows 根據(jù)一定的偏移量來轉(zhuǎn)動(dòng)每個(gè)行。 (4) AddRoundKey將 128比特 STATE和 128比特的輪詢密鑰逐比特的進(jìn)行模 數(shù)2 運(yùn)算這種轉(zhuǎn)換相當(dāng)于 STATE和輪詢密鑰的 X0R操作。 AES對(duì)于硬件實(shí)現(xiàn)來說是個(gè)靈活的算法。算法的 編寫者們致力于在具有不同總線面積的系統(tǒng)上來執(zhí)行此算法。而我們的目標(biāo)卻不是吞吐量。多使用 SBoxe, 加密時(shí) 就會(huì)需要較少的時(shí)鐘周期 。 N. Pramstaller et al?和 P. Chodowiec et FPGA實(shí)現(xiàn)也是 32比特的體系結(jié)構(gòu)。 AddRoundKey操作 (128比特 XOR)也可以 分成 32 比特操作。對(duì) 于無線設(shè)備來說，這是一個(gè)很重要的性能，因?yàn)闊o線設(shè)備的平均功耗要比加密一個(gè) 塊所需的總能量更重要些。因此， 我們決定將 AES算法作為一個(gè) 8 比特體系結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，以此代替 32 比特的體系結(jié)構(gòu)。而 8比特體系結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)卻是增加了加密所 用的時(shí)鐘周期。模塊有 3個(gè)基本部分組成：一個(gè)控制器、 RAM和數(shù)據(jù)通道。生成的這些 256 比特作為 32個(gè)字節(jié)來配合所提出的 8 比特體系結(jié) 構(gòu)。因?yàn)闆]有多余的內(nèi)存來存儲(chǔ) 中間值，若在加密過程中需要 STATE字節(jié)或密鑰字節(jié)，則控制器不得不假定沒有重 寫 STATE字節(jié)或密鑰字節(jié)。ShiftRows 轉(zhuǎn)換量是由控制器實(shí)現(xiàn)的。最明顯的操作就是 256X8比特 RPM執(zhí)行 8比特表的查找。這個(gè)SBoxe 的一個(gè)特性是，插入寄存器它就可以被