物理門禁控制系統(tǒng)實現(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)。本文對各種不同類型的鎖控技術(shù)(機械、磁卡、接觸式、RFID)進行對比，并對這些鎖控裝置的優(yōu)缺點進行了評估。采用質(zhì)詢-響應(yīng)認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)的鎖控裝置并對其進行比較。本文還闡述了質(zhì)詢-響應(yīng)認證相比靜態(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)：機械式、磁卡式、接觸式、RFID。文章討論了質(zhì)詢-響應(yīng)認證(質(zhì)詢、加密以及消息認證碼或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)認證機制更安全的原因。

　　基于信息技術(shù)(IT)的鎖控裝置

　　嚴格意義上講，任何鑰匙內(nèi)都會像ROM (只讀存儲器)一樣存儲相關(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。對于一個給定類型的鑰匙，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信息。磁卡可以分成多個平行磁軌，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)則將信息存儲于硅片?？梢源鎯Φ奈粩?shù)從低至64位(DS1990A)到無限容量。非接觸式鑰匙則以26位模型開始，事實上這種鑰匙的容量也沒有上限限制。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)狀和問題

　　無論是機械鎖，還是電子鎖，開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)可以是一個簡單的序列號，也可以是大量存儲數(shù)據(jù)(磁卡或存儲芯片卡等)或兩者結(jié)合。一把鑰匙攜帶的信息越少，則對于給定的鎖具而言就可以提供越多的鑰匙與之匹配。

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

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

　　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)是鑰匙獲得進入的權(quán)限。這種一成不變的原則使克隆鑰匙非常簡單。事實上，如果鑰匙可以從鎖具接收一個不確定的數(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)，則可以實現(xiàn)更高的加密等級。這一過程包括了公開的可讀取數(shù)據(jù)和只有鑰匙及鎖具知道的隱藏數(shù)據(jù)。

　　由鎖具發(fā)送給鑰匙的這個不確定數(shù)據(jù)從技術(shù)上稱為隨機質(zhì)詢，隱藏數(shù)據(jù)稱為密鑰，而響應(yīng)通常稱作信息認證代碼或MAC。信息包含質(zhì)詢、公開可讀數(shù)據(jù)、密鑰以及常數(shù)(填充數(shù))。為了驗證密鑰的有效性，鎖具會根據(jù)同一質(zhì)詢、從鑰匙讀取的數(shù)據(jù)、密鑰以及常數(shù)計算MAC。如果鎖具所計算的MAC與鑰匙響應(yīng)的MAC匹配，則鎖具認為鑰匙是合法的。技術(shù)上，這一流程如圖1所示，叫做質(zhì)詢-響應(yīng)認證。如果除了有效性外，鑰匙里公開可讀的數(shù)據(jù)與鎖具標準相匹配，則打開鎖具。

　　圖1. 質(zhì)詢-響應(yīng)認證數(shù)據(jù)流

　　在加密學(xué)中，從一串信息碼產(chǎn)生固定長度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度MAC輸出大量信息。采用加密算法時，加密信息的長度往往與原始信息成正比。

　　SHA-1是經(jīng)過完全驗證并獲得國際認可的單向散列算法，SHA-1算法由美國國家標準技術(shù)研究所(NIST)制定，現(xiàn)已成為國際標準ISO/IEC 10118-3:2004。算法所依賴的數(shù)學(xué)公式已經(jīng)在NIST網(wǎng)頁公開。SHA-1算法與其它算法的差別是：

　　不可逆性：該算法無法通過相應(yīng)的MAC逆向計算輸入。

　　防沖突：該算法不可能找到另外一個可以產(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)過全球認證，Maxim選擇了SHA-1用于質(zhì)詢-響應(yīng)認證。