物理門禁控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

本應(yīng)用筆記從信息技術(shù)(IT)這一全新視角闡述了物理門禁控制系統(tǒng)。本文對(duì)各種不同類型的鎖控技術(shù)(機(jī)械、磁卡、接觸式、RFID)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)這些鎖控裝置的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)估。采用質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證的鎖控裝置克服了傳統(tǒng)靜態(tài)數(shù)據(jù)門鎖的局限性。本文介紹了質(zhì)詢-響應(yīng)工作原理，列舉了相應(yīng)的鎖控裝置并對(duì)其進(jìn)行比較。本文還闡述了質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證相比靜態(tài)數(shù)據(jù)更安全的原因。

　　本應(yīng)用筆記討論了幾種不同類型的門禁控制系統(tǒng)：機(jī)械式、磁卡式、接觸式、RFID。文章討論了質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證(質(zhì)詢、加密以及消息認(rèn)證碼或MAC)以及SHA-1算法的重要性。最后，本文還闡述了質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證機(jī)制更安全的原因。

　　基于信息技術(shù)(IT)的鎖控裝置

　　嚴(yán)格意義上講，任何鑰匙內(nèi)都會(huì)像ROM (只讀存儲(chǔ)器)一樣存儲(chǔ)相關(guān)信息。鎖具“讀取”鑰匙端的數(shù)據(jù)，如果與鎖具規(guī)則匹配，則通行。機(jī)械鑰匙的整體物理尺寸、最小尺寸(例如，單位增量)限制了其可選擇的代碼空間。對(duì)于一個(gè)給定類型的鑰匙，可以在不重復(fù)的前提下制造出數(shù)百或數(shù)千把鑰匙，確切數(shù)目取決于鑰匙的類型。磁卡鑰匙可以在很小的鐵磁材料上存儲(chǔ)信息。磁卡可以分成多個(gè)平行磁軌，每條磁軌可寫入500位以上數(shù)據(jù)。而接觸式電子令牌鑰匙(例如iButton®器件、芯片卡)則將信息存儲(chǔ)于硅片?？梢源鎯?chǔ)的位數(shù)從低至64位(DS1990A)到無(wú)限容量。非接觸式鑰匙則以26位模型開(kāi)始，事實(shí)上這種鑰匙的容量也沒(méi)有上限限制。磁卡鑰匙在酒店門禁系統(tǒng)非常流行。電子令牌鑰匙，無(wú)論是接觸式還是非接觸式，都已普遍用于員工胸卡。

　　現(xiàn)狀和問(wèn)題

　　無(wú)論是機(jī)械鎖，還是電子鎖，開(kāi)啟方式都是基于靜態(tài)數(shù)據(jù)是否能滿足鎖具自身的規(guī)則要求。采用電子鎖，其數(shù)據(jù)可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的序列號(hào)，也可以是大量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(磁卡或存儲(chǔ)芯片卡等)或兩者結(jié)合。一把鑰匙攜帶的信息越少，則對(duì)于給定的鎖具而言就可以提供越多的鑰匙與之匹配。

　　機(jī)械鑰匙具有多種不同的類型和尺寸¹。而鎖具“主人”則無(wú)法避免鑰匙在未經(jīng)授權(quán)的情況下被復(fù)制。此外，還可以使用一些廉價(jià)工具惡意打開(kāi)門鎖²。由于“代碼”空間有限，這種鎖具無(wú)法保證鑰匙的唯一性。日積月累，鑰匙的結(jié)構(gòu)慢慢磨損，使開(kāi)鎖變得更加困難。

　　雖然代碼空間對(duì)磁卡鑰匙卡不是問(wèn)題，但它們很容易被復(fù)制²或擦除。磁卡同樣存在磨損問(wèn)題。

　　基于ROM的電子鑰匙可以防止克隆或復(fù)制，接觸式鑰匙²和RFID鑰匙²即采用了類似原理。除了韋根(Wiegand)協(xié)議及其派生(26位或36位)協(xié)議外，電子鑰匙具有足夠的代碼空間保證每把鑰匙代碼的唯一性。

　　下一代安全產(chǎn)品：質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證

　　傳統(tǒng)的電子鎖依賴于靜態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是鑰匙獲得進(jìn)入的權(quán)限。這種一成不變的原則使克隆鑰匙非常簡(jiǎn)單。事實(shí)上，如果鑰匙可以從鎖具接收一個(gè)不確定的數(shù)據(jù)質(zhì)詢，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)以特定的數(shù)據(jù)格式響應(yīng)，則可以實(shí)現(xiàn)更高的加密等級(jí)。這一過(guò)程包括了公開(kāi)的可讀取數(shù)據(jù)和只有鑰匙及鎖具知道的隱藏?cái)?shù)據(jù)。

　　由鎖具發(fā)送給鑰匙的這個(gè)不確定數(shù)據(jù)從技術(shù)上稱為隨機(jī)質(zhì)詢，隱藏?cái)?shù)據(jù)稱為密鑰，而響應(yīng)通常稱作信息認(rèn)證代碼或MAC。信息包含質(zhì)詢、公開(kāi)可讀數(shù)據(jù)、密鑰以及常數(shù)(填充數(shù))。為了驗(yàn)證密鑰的有效性，鎖具會(huì)根據(jù)同一質(zhì)詢、從鑰匙讀取的數(shù)據(jù)、密鑰以及常數(shù)計(jì)算MAC。如果鎖具所計(jì)算的MAC與鑰匙響應(yīng)的MAC匹配，則鎖具認(rèn)為鑰匙是合法的。技術(shù)上，這一流程如圖1所示，叫做質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證。如果除了有效性外，鑰匙里公開(kāi)可讀的數(shù)據(jù)與鎖具標(biāo)準(zhǔn)相匹配，則打開(kāi)鎖具。

　　圖1. 質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證數(shù)據(jù)流

　　在加密學(xué)中，從一串信息碼產(chǎn)生固定長(zhǎng)度MAC的算法通常稱作單向散列算法。“單向”表示該算法通常難以從固定長(zhǎng)度MAC輸出大量信息。采用加密算法時(shí)，加密信息的長(zhǎng)度往往與原始信息成正比。

　　SHA-1是經(jīng)過(guò)完全驗(yàn)證并獲得國(guó)際認(rèn)可的單向散列算法，SHA-1算法由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)制定，現(xiàn)已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 10118-3:2004。算法所依賴的數(shù)學(xué)公式已經(jīng)在NIST網(wǎng)頁(yè)公開(kāi)。SHA-1算法與其它算法的差別是：

　　不可逆性：該算法無(wú)法通過(guò)相應(yīng)的MAC逆向計(jì)算輸入。

　　防沖突：該算法不可能找到另外一個(gè)可以產(chǎn)生同一MAC的輸入信息。

　　高雪崩效應(yīng)：輸入的任何變化將引起MAC結(jié)果的很大變化。

　　正是由于上述原因，而且該算法經(jīng)過(guò)全球認(rèn)證，Maxim選擇了SHA-1用于質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證。質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證密鑰

　　目前，全球范圍內(nèi)已經(jīng)有眾多公司可以大規(guī)模生產(chǎn)電子鎖，無(wú)論是接觸式還是非接觸式。其主要元件是內(nèi)置固件(例如軟件程序)和存儲(chǔ)器的微控制器，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)可以被鎖具接受的密鑰(例如序列號(hào)或文本串)?；谠O(shè)計(jì)，門鎖應(yīng)具備配合質(zhì)詢、響應(yīng)鑰匙工作的所有資源。所有鎖具均需要固件更新。

　　DS1961S質(zhì)詢-響應(yīng)iButton內(nèi)置SHA-1引擎，于2002年推向市場(chǎng)。而非接觸式器件MAX66140 ISO 15693兼容安全存儲(chǔ)器扣則于2010年面世。雖然通信接口和外形尺寸大有區(qū)別，但兩個(gè)器件具有許多共同點(diǎn)，如表1所示。二者均支持SHA-1認(rèn)證，具有64位密鑰和1024位用戶可編程EEPROM?？梢匝b載密鑰并進(jìn)行計(jì)算(這一步不需要認(rèn)證)、寫保護(hù)。對(duì)存儲(chǔ)器的寫操作需要認(rèn)證，即只有在確認(rèn)器件密鑰正確的前提下才能進(jìn)行寫操作。作為新產(chǎn)品，MAX66140采用5字節(jié)質(zhì)詢，與DS1961S所采用的3字節(jié)質(zhì)詢不同。MAX66140還提供存儲(chǔ)器寫次數(shù)計(jì)數(shù)器，使篡改檢測(cè)更容易實(shí)現(xiàn)，并且可以使器件應(yīng)用從門禁控制擴(kuò)展到閉環(huán)電子支付系統(tǒng)。

　　表1. DS1961S與MAX66140對(duì)比*MAX66040計(jì)劃提供具有ISO/IEC 14443 B型接口同等密鑰的產(chǎn)品。

　　高度安全的質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證

　　建立并保持一個(gè)質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證系統(tǒng)需要鑰匙編程器(即一套電子裝置)，根據(jù)系統(tǒng)要求，可能還需要一個(gè)鑰匙主機(jī)。鑰匙編程器必須清楚供應(yīng)商規(guī)定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和加密算法，以產(chǎn)生所需要的密鑰。如果系統(tǒng)支持這一功能，可以按照門鎖存儲(chǔ)的列表，利用鑰匙主機(jī)更新已知鑰匙的ID號(hào)。對(duì)于任何安全系統(tǒng)，都要嚴(yán)格控制這些物理層工具，以防非法使用。

　　創(chuàng)建新鑰匙或復(fù)制鑰匙

　　經(jīng)過(guò)授權(quán)的管理人員可以使用鑰匙編程器在一把空鑰匙內(nèi)安裝一個(gè)有效的密鑰，并在存儲(chǔ)器寫入有效數(shù)據(jù)(復(fù)制鑰匙時(shí)，數(shù)據(jù)從另一把鑰匙直接拷貝)。由此，即可獲得一把新鑰匙。根據(jù)具體門鎖的固件，可能需要使用鑰匙主機(jī)在鎖內(nèi)已知的密鑰列表中加入新的鑰匙ID。黑客可以在一把空鑰內(nèi)加入任何密鑰，然后在開(kāi)放可讀存儲(chǔ)器中存入有效數(shù)據(jù)。然而，這樣得到的鑰匙幾乎不可能通過(guò)質(zhì)詢、響應(yīng)認(rèn)證，因?yàn)樗拿荑€是無(wú)效的。

　　更改鑰匙的接入權(quán)限

　　利用鑰匙編程器，經(jīng)過(guò)授權(quán)的管理員可以更新存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，以更改鑰匙權(quán)限。如果不知道密鑰或沒(méi)有接入適當(dāng)設(shè)備，黑客就無(wú)法得到MAC寫入權(quán)限，因而也就不能對(duì)鑰匙存儲(chǔ)器進(jìn)行寫操作。

　　報(bào)廢一把鑰匙

　　利用鑰匙編程器，管理員可以更改鑰匙存儲(chǔ)器的內(nèi)容，將其設(shè)置在“出廠默認(rèn)設(shè)置”或其它任何無(wú)效狀態(tài)，但密鑰將保留不變。如果鎖內(nèi)保留了已知密鑰列表，建議將無(wú)效密鑰的ID從鎖內(nèi)刪除?？梢栽谝院笫褂脮r(shí)重新恢復(fù)鑰匙密鑰。黑客的做法是通過(guò)強(qiáng)制措施建立密鑰。

　　防克隆保護(hù)

　　可以考慮這樣一種情況，黑客借助竊聽(tīng)或記錄裝置獲得有效的密鑰，然后將其重復(fù)發(fā)送到門鎖，并對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得門鎖發(fā)出的質(zhì)詢以及鑰匙生成MAC。如果固件設(shè)計(jì)合理，質(zhì)詢應(yīng)該是隨機(jī)數(shù)，使得黑客不可能得到所有質(zhì)詢響應(yīng)的組合，最終放棄這一盜竊渠道。

　　如果固件設(shè)計(jì)不合理，采用固定質(zhì)詢，或者從一個(gè)很小的模板中隨機(jī)產(chǎn)生質(zhì)詢，這會(huì)給黑客可乘之機(jī)。黑客可以利用有效的鑰匙ID、存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)以及門鎖發(fā)送的質(zhì)詢和讀取的相應(yīng)認(rèn)證MAC，配置鑰匙仿真器。如果黑客保存了已知密鑰列表，最簡(jiǎn)單的對(duì)策就是刪除門鎖中的列表。對(duì)于沒(méi)有使用這樣列表的系統(tǒng)也不是沒(méi)有防備。為了偵測(cè)鑰匙仿真器，可以讓門鎖在鑰匙內(nèi)部沒(méi)使用的存儲(chǔ)單元寫入一個(gè)隨機(jī)數(shù)。仿真器也將接受這些寫操作，因?yàn)樗荒茏R(shí)別哪些MAC寫操作有效。隨后，門鎖將剛寫入的數(shù)據(jù)和讀取頁(yè)的驗(yàn)證MAC一起讀回。由于不能進(jìn)行此項(xiàng)操作，仿真器無(wú)法產(chǎn)生有效MAC，因而操作失效。

　　密鑰泄露保護(hù)

　　可以裝載或計(jì)算作為質(zhì)詢、響應(yīng)認(rèn)證密鑰的64位數(shù)據(jù)，最糟糕的設(shè)計(jì)是把同一密鑰寫入系統(tǒng)的所有鑰匙。一旦密鑰泄露或通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)被發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的安全防線將被摧毀。因此，進(jìn)行質(zhì)詢、響應(yīng)認(rèn)證的鑰匙可以根據(jù)初始(當(dāng)前或裝載的)密鑰、部分密鑰、存儲(chǔ)器頁(yè)數(shù)據(jù)以及器件指定常數(shù)，計(jì)算新的密鑰。采用這種方式，密鑰不會(huì)暴露在外部。將鑰匙的64位ID作為部分密鑰，可以產(chǎn)生器件的專用密鑰。如果該鑰匙的密鑰泄露，只需要修復(fù)這把鑰匙，而不需要更新整個(gè)系統(tǒng)。

　　結(jié)論

　　在一些安裝了電子鎖或電子門禁的場(chǎng)所，通過(guò)質(zhì)詢-響應(yīng)認(rèn)證系統(tǒng)可以明顯改善系統(tǒng)的安全性。質(zhì)詢-響應(yīng)鑰匙可以采用接觸式接口或無(wú)線接口。受保護(hù)的質(zhì)詢-響應(yīng)鑰匙中的數(shù)據(jù)可以防止非法修改。存儲(chǔ)器的寫次數(shù)計(jì)數(shù)器監(jiān)測(cè)篡改操作。克隆的質(zhì)詢-響應(yīng)鑰匙無(wú)法通過(guò)認(rèn)證測(cè)試，即使公開(kāi)可讀存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)是有效的。對(duì)質(zhì)詢-響應(yīng)鑰匙進(jìn)行升級(jí)非常簡(jiǎn)單，只需在鎖內(nèi)或讀取裝置內(nèi)設(shè)置新的密鑰或安裝新的固件。