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一種加快智能IC卡安全認證速度的方法

2017年微型機與應用第2期

朱巧,黃俊

重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065

摘要： 針對智能IC卡安全認證過程中3DES算法加密速度較慢的問題，本文采用AES算法代替3DES算法完成智能IC卡的安全認證，并對密鑰分散機制進行改進，使用混沌系統(tǒng)中的logistic映射進行密鑰分散。實驗結果表明，改進后的安全認證算法在保證安全加密強度的前提下，有效提升了智能IC卡的安全認證速度。

關鍵詞： 3DES算法 AES算法 Logistic映射智能IC卡

Abstract：

Key words :

　　朱巧,黃俊

　　(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065)

摘要：針對智能IC卡安全認證過程中3DES算法加密速度較慢的問題，本文采用AES算法代替3DES算法完成智能IC卡的安全認證，并對密鑰分散機制進行改進，使用混沌系統(tǒng)中的logistic映射進行密鑰分散。實驗結果表明，改進后的安全認證算法在保證安全加密強度的前提下，有效提升了智能IC卡的安全認證速度。

　　關鍵詞：3DES算法；AES算法；logistic映射；智能IC卡；密鑰分散

　　中圖分類號：TP368.1文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.02.002

　　引用格式：朱巧,黃俊.一種加快智能IC卡安全認證速度的方法［J］.微型機與應用，2017,36（2）：5-7.

　　0引言

　　隨著智能IC卡在各行業(yè)的廣泛應用，消費者對智能IC卡交易速度的要求也越來越高。目前,智能IC卡采用的對稱加密算法為3DES算法［1］。3DES算法的加解密速度較慢，算法資源利用率不高；AES算法采用更加簡潔的數學表達形式，在安全性能、算法資源利用率和實現復雜度上均優(yōu)于3DES算法。在保證加密強度的條件下，為了提高智能IC卡的安全認證速度，本文從以下兩方面對智能IC卡加密算法進行改進：首先，使用AES加密算法代替3DES算法完成安全認證；其次，使用混沌密鑰分散取代3DES密鑰分散。

1AES算法及混沌序列簡介

　　美國標準技術研究所(NIST)在2001年發(fā)布了高級加密標準AES(Advanced Encryption Standard)［2］。AES是一種分組密碼，用以取代3DES的商業(yè)應用，其分組長度為128位，密鑰長度為128位、192位或256位。AES采用分組迭代算法，每一輪加密可分為字節(jié)代替(SubBytes)、行移位(ShiftRows)、列混淆(MixColumns)和輪密鑰加(AddRoundKey)。圖1為AES的總體結構。

　　混沌是非線性動力系統(tǒng)中普遍存在的一種確定性、類隨機性的復雜運動形式和自然現象［3］。它具有的特征包括非線性、遍歷性、初值敏感性、類噪聲性和隨機性，理論分析和實驗表明混沌加密算法能夠達到與傳統(tǒng)加密算法擴散(Diffutsion)和置亂(Confusion)同樣的效果［4］。本文采用混沌系統(tǒng)中的logistic映射產生混沌序列，公式（1）為logistic映射模型。

　　Xi+1=u*Xi*(1-Xi)，i=1,2…（1）

2安全認證速度提升方案

　　為了提高智能IC卡的安全加密效率，同時使得安全算法適用于IC卡交易數據的加密，達到較好的安全性，下面討論對對IC卡安全認證算法的改進。

　　2.1改進加密方式

　　相對于3DES算法，AES算法具有以下優(yōu)勢：首先，AES算法的設計者充分考慮了算法在計算機上的實現，運算速度快，對于內存的需求非常低；其次，AES密鑰長度可變，可根據實際需要選擇密鑰長度；最后，AES加密算法采用寬軌跡策略（Wide Trail Strategy,WTS）,可以很好地對抗差分密碼分析和線性密碼分析［5］。使用AES算法代替3DES算法，在安全性、實現復雜度、靈活性上都能得到提升，尤其是能大幅度加快智能IC卡的安全認證速度。在后面的實驗結果分析中均體現了AES在加密性能上的優(yōu)勢。

　　2.2改進密鑰分散機制

　　為了便于密鑰的安全管理，智能IC卡密鑰管理系統(tǒng)通常采用一個主密鑰對每張卡的卡號進行加密，生成的密文為IC卡的子密鑰，這種由主密鑰生成子密鑰的方法稱為密鑰分散［6］。目前，智能IC卡的密鑰分散算法為3DES算法。為了提高子密鑰生成的速率，同時保證生成子密鑰的安全性，采用混沌算法進行密鑰分散。本文使用式（1）進行密鑰分散生成子密鑰。子密鑰的生成步驟如下。

　　（1）智能IC卡密鑰管理系統(tǒng)定義初始值X0與參數u作為主密鑰，設主密鑰為MK(X0,u)。為了使混沌系統(tǒng)的動力學方程更加復雜，同時保證X0∈(0,1)，一般取u∈(3.6,4)。

　?。?）獲取IC卡卡號最后面16 B，記為一維數組P［16］。

　?。?）Xi=Xi+P［i］/256，其中P［i］/256為每張智能IC卡特有的密鑰分散因子。

　?。?）使用logistic公式進行16輪迭代運算，獲得N［16］={X1,X2,X3，…，X16} 。

　?。?）假設N［16］在處理器中以浮點型進行存儲，位長為4 B。為了獲取16 B的子密鑰，可從N［16］中抽取4個元素，為了提升算法安全性，避免攻擊者通過運算解出u值，取這四個元素的下標間距為4，記為{X4,X8,X12,X16},其中X4={C1,C2,C3,C4},X8={C5,C6,C7,C8},X12={C9,C10,C11,C12},X16={C13,C14,C15,C16}，則IC卡的子密鑰C［16］={C1,C2,C3……C16}。

3改進算法在智能IC卡安全認證中的應用

　　在本文中，智能IC卡的安全認證采用雙向認證機制，即智能IC卡與支付終端相互進行認證，安全認證步驟如下。

　?。?）支付終端獲取智能IC卡賬號最后面16 B的ASCII碼值作為AES密鑰分散的輸入明文，設輸入明文記為一維數組X ［16］。

　　（2）支付終端獲取存儲在終端安全區(qū)域內的混沌主密鑰MK(X0,u)，將X［16］中的16個元素分別代入公式（1），獲得該智能IC卡的AES密鑰(即子密鑰)，記為K［16］。

　　（3）記支付終端寫入智能IC卡的數據明文為M［L］，其中L為16的整數倍，終端按照圖1所示流程使用密鑰K［16］對M［L］進行AES分組加密生成分組密文G［L］。

　?。?）支付終端將G［L］通過有線或無限信道發(fā)給智能IC卡，智能IC卡在收到G［L］后，使用儲存在IC卡安全區(qū)域內的AES密鑰K［16］對密文G［L］進行解密，判斷解密后的明文是否滿足標準報文格式，若符合標準報文格式，則金融IC卡對支付終端的安全認證通過，否則安全認證失敗。

　?。?）智能IC卡使用K［16］對交易相關數據和卡的特征數據進行AES加密，這些數據使用N［L］表示（L為16的整數倍），生成密文C［L］。

　?。?）智能IC將密文C［L］返回給支付終端，支付終端將密文C［L］上傳至IC卡安全認證中心。

　?。?）IC安全認證中心同樣使用步驟（5）的方式對密文C［L］進行安全認證，認證通過后，返回交易成功報文。

4實驗結果分析

　　本文仿真平臺處理器采用ST公司的STM32f103系列微處理器，微處理器配置為：CotexM3內核、主頻72 MHz、64 KB RAM、512 KB Flash, 軟件固件庫版本為V3.5.0。實驗首先對AES128與3DES加密速度和安全強度進行對比分析，然后對比混沌密鑰分散速度和3DES分散速度。

　　4.13DES與AES-128對比分析

　　3DES和AES-128（表示AES密鑰的長度為128 bit）參數如下（16進制表示）：

　　3DES參數

　　輸入明文：0123456789abcdef

　　密鑰：0123456789abcdeffedcba9876543210

　　密文：1a4d672dca6cb335

　　AES128參數

　　輸入明文：0123456789abcdef

　　密鑰：0123456789abcdeffedcba9876543210

　　密文：1a4d672dca6cb335

　　4.1.13DES與AES-128算法速度對比分析

　　AES與3DES加密速度如表1所示，通過對比，AES-128的加密速度比3DES要快40倍，解密速度為3DES的24倍。由此可見，銀行卡支付終端使用AES來替代3DES進行安全認證，可以提高交易速度。

　　4.1.23DES與AES-128雪崩效應對比分析

　　加密算法安全強度的評價指標之一是該加密算法的雪崩效應［7］。雪崩效應指的是明文或者密文即使發(fā)生小的變化即會導致密文發(fā)生很大的變化。研究表明，如果1位的差別能夠引起密文大約一半的位置發(fā)生變化，這是比較理想的結果［8］。圖2和圖3分別表示3DES和AES128的雪崩效應。結合折線圖分析，AES-128在加密2輪后大約有一半的位數發(fā)生變化，而3DES需要加密3輪后才能達到同樣的效果，因此AES-128展示了很好的雪崩效應，且這種強度比3DES要大一些。

　　4.2混沌算法與3DES算法密鑰分散速度對比分析

　　若需要獲取一個16 B長的IC卡子密鑰，采用3DES算法完成密鑰分散需進行兩次3DES運算，而采用混沌算法只需要16輪logistic公式迭代運算，大幅度提高了密鑰分散速度。密鑰分散的各參數值與分散速度如表2所示。通過對比3DES密鑰分散和混沌算法密鑰分散耗費的機器周期數可以得出，采用混沌算法進行密鑰分散的速度是3DES密鑰分散速度的27.5倍左右。