一種基于DES算法的RFID加解密模塊計

劉齊宏　楊豪

摘? 要：該文針對現(xiàn)今RFID系統(tǒng)應用的安全威脅進行了分析，分析了RFID的安全系統(tǒng)對于硬件設計的需求，基于DES加密算法的理論，提出并設計了一個適用于RFID系統(tǒng)的加密模塊，保護RFID標簽和讀寫器通信過程間的通信數(shù)據(jù)，使用ModelSim軟件對設計出的模塊進行自底向上的仿真測試，保證每一個子模塊滿足整體模塊完成加密算法的功能。并使用ISE硬件設計軟件對代碼進行綜合設計，獲得綜合生成的模塊電路。設計技術指標達到860～960M、95dBm、40～640kbps，實現(xiàn)了將明文/密文進行加密/解密的方式，達到提高RFID通信安全性的目標。

關鍵詞：DES加解密模塊計? 860～960M? 95dBm? 40～640kbps? RFID技術指標

中圖分類號：TP391.44 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（c）-0013-03

RFID技術已經(jīng)得到了廣泛應用，特別是現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)時代，RFID在物流管理、門禁系統(tǒng)等方面都被大規(guī)模地采用，然而正因為在其得到廣泛應用，也出現(xiàn)了越來越多非法攻擊以及破解RFID系統(tǒng)的現(xiàn)象，其安全問題和隱私問題逐漸引起了人們的注意。正如同許多的通信設備一樣，RFID系統(tǒng)在通信過程中十分容易遭到攻擊。RFID受到攻擊很有可能使用戶的個人信息遭到泄露。當標簽貼在某些物品上面，可能因攻擊而導致物品的信息和位置的泄露。一些關注個人隱私問題的組織甚至直接宣布不購買使用了RFID技術的產(chǎn)品。可以想象的是，隨著RFID技術的快速發(fā)展，使用RFID技術的加密應用也會越來越多，如何應對他人惡意的非法攻擊、如何有效解決RFID的安全問題和隱私問題是推廣RFID技術的關鍵部分。

1? 系統(tǒng)分析

RFID系統(tǒng)的工作頻率跨度很大，主要可以分為低頻、高頻、超高頻和微波頻段。不同頻段的RFID系統(tǒng)特性差異很大，因此主要用途也相差甚遠。低頻系統(tǒng)的工作頻率為125～134kHz的常見工作頻率。低頻RFID系統(tǒng)的讀寫工作距離很近，成本也低，存儲的信息量少。高頻RFID一般適用于大數(shù)據(jù)量通信的系統(tǒng)。超高頻系統(tǒng)的工作頻率在300MHz～3GHz，有860～960MHz的常見工作頻率。其標簽芯片和讀寫器的生產(chǎn)成本消耗都很高，儲存的信息量較大，讀寫速度快，工作距離可以在十多米之外，通信過程有較強的方向性。微波系統(tǒng)的工作頻率在3GHz以上。

DES加密算法即屬于對稱加密算法，加密密鑰和解密密鑰相同，要求在進行通信之前，通信雙方要商議一個共同使用密鑰，通信能否保持安全主要需要的是密鑰的保密性。根據(jù)這種算法設計出來的電路更為滿足RFID標簽芯片低成本的要求。而對于其安全保密能力，DES加密算法的安全性需要的是密鑰的隱秘保存，針對DES加密的破解方法也只有窮舉。DES算法應用在RFID系統(tǒng)中的話，是一種十分安全的算法，因為RFID的通信時間極短，理論上被攻擊成功的可能性為零。

整個DES加密過程是以64位明文為一個單位進行一次加密，將64位數(shù)據(jù)分為8個字節(jié)，同時隨著64位的密鑰的同步工作，在初始代換后進行16輪的循環(huán)加密，然后再加其做逆初始代換，最終得到64位加密過后的密文作為輸出。對信息的解密過程與加密時的過程相同，然而每輪循環(huán)加密采用的子密鑰順序對稱。對現(xiàn)今RFID系統(tǒng)應用的安全威脅進行分析，分析了RFID的安全系統(tǒng)對于硬件設計的需求，基于DES加密算法的理論，提出并設計了一個適用于RFID系統(tǒng)的加密模塊，保護RFID標簽和讀寫器通信過程間的通信數(shù)據(jù)。

2? 系統(tǒng)設計

2.1 設計流程

在開始數(shù)字電路設計之前，需要制定出設計的計劃，抽象描述各部件所完成的功能、接口以及整個電路的結構。在分析完成電路應滿足的功能、性能指標以及其他問題之后，才能開始進行行為級描述和RTL級描述，以硬件描述語言（HDL）為工具描述電路構成。完成硬件描述之后，需要進行的是對代碼的仿真測試，通過對各部分的測試以及對整體的測試檢查錯誤并優(yōu)化算法。仿真完成之后，現(xiàn)有的電子設計自動化（EDA）工具可以對以RTL級描述的代碼文件自動進行邏輯綜合，邏輯綜合是將RTL級描述轉換為門級網(wǎng)表，門級網(wǎng)表是對門電路及門電路內(nèi)部連接方式的描述文件，也是版圖設計的基礎。

在門級網(wǎng)表生成之后，還要進行對于時序的仿真，又稱為后仿真，如果時序仿真結果不符合設計時提出的要求，則需要修改布局和布線或進行邏輯綜合時預定的約束條件，或回到行為級描述或是RTL級描述階段進行修改，在完成驗證之后即可開始流片。該文采用了Verilog HDL硬件描述語言來實現(xiàn)能夠作為一個內(nèi)嵌模塊運用的DES加密電路。采用了硬件設計常用的自頂向下的層次性設計流程，設計了基于DES加密算法的加密電路，并且對設計后的HDL文件進行了功能仿真及邏輯綜合。

2.2 DES加密模塊頂層結構設計

要實現(xiàn)DES加密算法的硬件設計，就要從加密算法的功能開始分析，可以看到DES加密算法完成的功能是對于一個64位的信息，使用64位的密鑰進行加密或是解密。因此要實現(xiàn)DES加密算法的硬件設計，應該有信息、密鑰以及加解密選擇的輸入信號，以及處理后信息的輸出。

根據(jù)對于加密算法的分析，加密電路的頂層結構如下。

輸入：Encrypt：加/解密控制? 輸出：out[1：64]：64位密文/明文輸出

in[1：64]：64位明文/密文輸入

Key[1：64]：密鑰輸入

2.3 DES加密模塊分類

以自頂向下的硬件設計思路，完成DES加密電路的頂層功能分析之后，應將整個電路分為若干個可以實現(xiàn)的子模塊，甚至子模塊里又有更加細分的子模塊。對DES加密算法的分析后可以發(fā)現(xiàn)，加密過程可以拆為3個不同的階段，即對初始信息進行處理的初始置換階段，然后是十六次重復的加密過程，一輪加密過程后的輸出是下一輪加密的輸入，16次加密之后再進行一次逆初始置換，此外對于每一輪的加密的過程，還要輸入根據(jù)最初輸入的密鑰變化后的子密鑰。因此按需要實現(xiàn)的功能可以分為以下幾點。

（1）密鑰產(chǎn)生模塊：生成每輪加密循環(huán)所需的子密鑰。

（2）一輪加/解密模塊：進行十六輪循環(huán)加密之中的一輪加/解密。

（3）初始置換模塊：對最開始的64位信息進行初始置換。

（4）逆初始置換模塊：對16輪循環(huán)加/解密后的輸入數(shù)據(jù)進行最終置換，輸出密/明文。

2.3.1 密鑰產(chǎn)生模塊

根據(jù)對加密算法的分析，DES加密過程中要經(jīng)歷16次的循環(huán)加密，因此要使用到16個不同的子密鑰，這些子密鑰都是按照一定規(guī)律通過初始密鑰產(chǎn)生的，因此密鑰產(chǎn)生模塊應具有輸入初始密鑰，產(chǎn)生16個子密鑰的功能。此外，DES加密過程和解密過程步驟相同，只是每一輪加密過程中使用的子密鑰順序對稱，即加密過程是key1順序使用直到key15，而解密過程是從key15倒序使用直到key1，因此密鑰產(chǎn)生模塊應該同時具有加解密選擇的功能。根據(jù)算法可以知道，密鑰產(chǎn)生的過程需要大量的數(shù)據(jù)選擇，即S盒變換，因此密鑰產(chǎn)生模塊需要拆分為若干個子模塊進行設計。密鑰產(chǎn)生模塊的結構如下。

輸入：encrypt：加/解密密鑰產(chǎn)生控制/? 輸出：key1[1：48]、key2[1：48]……

Key [1：64]：64位初始密鑰輸入? key16[1：48]：48位子密鑰輸出

2.3.2 一輪加密模塊

一輪加密模塊實現(xiàn)的功能是DES加密算法中16輪循環(huán)加密過程中的一次，它將上一輪加密過程中的輸出結果作為這一輪的輸入inR以及inL，并且根據(jù)子密鑰的不同，生成不同的加密結果outL和outR。因為一輪加密過程較為復雜，大多數(shù)的操作都是在這一輪加密過程中完成，因此還要劃分為更小的子模塊進行設計。一輪加密模塊的結構如下。

輸入：inR[1：32]：32位右明文輸入? 輸出：outL[1：32]：32位左密文輸出

inL[1：32]：32位左明文輸入? outR[1：32]：32位右密文輸出

key[1：48]：48位子密鑰輸入

2.3.3 初始置換模塊

初始置換模塊實現(xiàn)將最初的信息進行位置的置換，因為除換位以外并沒有任何變換，所以初始置換模塊并不需要拆分為多個子模塊。初始置換模塊結構如下。

輸入：in[1：64]：64位明/密文輸入? ? ?輸出：out[1：64]：64位初始置換輸出

2.3.4 逆初始置換模塊

與初始置換模塊相同，逆初始置換模塊滿足的功能同樣是單純的位置變換，所以也不需要拆分為多個子模塊。逆初始置換模塊結構如下。

輸入：in[1：64]：64位逆初始置換輸入? 輸出：out[1：64]：64位密/明文輸出

3? 系統(tǒng)仿真驗證及邏輯綜合

3.1 仿真及綜合設計技術

現(xiàn)代EDA技術就是通過計算機以各種EDA軟件為手段，對由硬件描述語言所寫出的代碼進行處理，自動將以代碼形式描述的電子電路系統(tǒng)進行編譯、化簡優(yōu)化、邏輯綜合、功能仿真以及電路的布局布線，甚至是將特定的芯片進行適配性的編譯以及編程下載到其中。仿真是通過對需要進行測試的模塊輸入激勵信號，觀測被測試的模塊在信號激勵下的輸出信號，判斷模塊的邏輯功能以及時序邏輯是否正確。仿真軟件的優(yōu)劣主要表現(xiàn)在其仿真的速度、準確性以及易用性。該文設計采用了Mentor公司的Modelsim，它是業(yè)界最優(yōu)秀的HDL仿真軟件，是一種硬件描述語言的仿真工具，它的界面友好，性能強大。綜合是數(shù)字電路設計過程中十分重要的步驟，是將層次較高的描述性設計轉換為層次較低的電路結構。綜合工具即為將硬件描述語言轉換了具體電路結構網(wǎng)表的工具，其好壞決定了綜合后的電路性能及結構的優(yōu)劣。該項目也設計采用了Xilinx公司新的高性能設計開發(fā)工具ISE軟件工具進行綜合設計。

3.1.1 仿真驗證設計

要驗證電路功能是否正確，電路仿真是不可或缺的方法。電路設計進行仿真分析，采用自底向上的驗證方法，首先驗證了每個底層模塊的基礎功能是否正常，再驗證頂層模塊的整個加密系統(tǒng)功能是否正常。

3.1.2 密鑰產(chǎn)生

根據(jù)DES加密算法描述，在針對一個特定的64位初始密鑰輸入時，會根據(jù)加密或是解密的功能選擇，生成16個有規(guī)律的48位子密鑰，并且加密所使用的密鑰與解密所使用的密鑰順序相反。使用仿真軟件對密鑰產(chǎn)生模塊輸入一個64位信號key作為激勵后，可以看到模塊輸出了16個48位密鑰key1，key2，…，key16，并且加解密情況下滿足上述理論上會出現(xiàn)的結果。因此99可以認為子密鑰生成成功，密鑰產(chǎn)生模塊的設計符合了算法描述。

3.1.3 一輪循環(huán)加密

根據(jù)加密算法描述，16輪循環(huán)加密過程中的每一輪步驟相同，將上一次加密過程中的兩部分32位信號輸出作為該次加密過程中的左明文輸入與右明文輸入，并且還有一個48位子密鑰同樣伴隨輸入。加密過程將經(jīng)過計算后的32位輸出作為下一輪的右明文輸入，而本輪的右明文作為下一輪的左明文輸入。使用仿真軟件對一輪加密模塊分別輸入了32位的左明文信號inL、32位的右明文信號inR以及48位的子密鑰信號key，模塊經(jīng)激勵的輸出結果中顯示，outL就是輸入的inR，而outR是經(jīng)加密計算后的值。可以看到一輪加密模塊實現(xiàn)功能正常，因此認為模塊設計滿足算法描述。

3.1.4 DES加密仿真

按自底向上的驗證思路，在進行了對若干個子模塊的仿真測試并驗證無誤之后，便需要對整個模塊的功能進行仿真測試。按照算法描述，加密算法實現(xiàn)的功能是對于一個64位明文，在64位初始密鑰的控制之下，可以加密生成一個64位的密文，同時若對這個密文用同一個密鑰解密的話，便能生成最初的明文。使用仿真軟件，對整個加密模塊輸入64位的明/文信號、64位初始密鑰信號以及1位的加/解密控制信號，可以看到在同一個密鑰控制下，明文加密與密文解密的輸出信號符合加密算法的預期，因此可以認為整個DES加密模塊設計符合算法描述。

3.2 邏輯設計綜合測試

對硬件描述語言設計的代碼進行仿真測試，驗證功能正常后，即可進行對其進行邏輯綜合的過程。邏輯綜合的結果可以把HDL代碼轉換為具體的門級網(wǎng)表。

該設計的加密模塊采用的是16級加密同步完成的思路進行設計，相比起經(jīng)16次時鐘周期循環(huán)加密的設計思路，該文的設計可以將一次加密過程所需要的時間大幅縮短，同時也消耗了較多的硬件資源。

4? 結語

該文針對RFID芯片技術面臨的一系列安全威脅，提出了對RFID芯片內(nèi)部增加DES加密模塊來提升其安全性的想法，結合DES的加密算法，并在DES密算法的基礎之上，提出了基于RFID芯片的DES加密模塊的設計思想。實施了DES算法的硬件可實現(xiàn)性以及實現(xiàn)方法，并采用分層的、自頂向下的硬件設計思路，其中RFID加密模塊設計進行三重相互認證方法，實現(xiàn)安全無遺漏。達到設計技術指標：860～960M、95dBm、40～640kbps。

與現(xiàn)有技術相比，該文具有以下有益的創(chuàng)新成果：采用DES對稱加密算法，無論與非對稱算法或是其他對稱算法相比，其結構更為簡單，加密和解密的速度更快。在應用于RFID芯片時，可以在滿足其低成本的要求下，兼具較高的安全保密能力和更小的存儲空間需求，較好地適用RFID的內(nèi)存條件。該文的加密模塊采用的是16級加密同步完成的思路進行設計，相比起經(jīng)16次時鐘周期循環(huán)加密的設計思路，該文的設計可以將一次加密過程所需要的時間大幅地縮短，同時也消耗了較小的硬件資源。

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