CN105069864A - 基于智能手机nfc功能的门锁控制安全通信方案 - Google Patents
基于智能手机nfc功能的门锁控制安全通信方案 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于智能手机NFC功能的门锁控制安全通信方案，包括两个通信主体，分别为门锁模块与智能手机终端钥匙模块，两个通信主体在ISO/IEC？14443协议之上进行通信，其中通信过程分为两部分：首先门锁模块与钥匙模块进行基于ISO？9798-2三轮认证协议的相互认证，互相确认对方主体为合法主体，然后钥匙模块发送请求内容，门锁模块对请求的内容进行响应并反馈信息，最后结束通信。本发明可以实现门锁与智能终端的交互式通信，克服了现阶段智能手机的NFC？P2P功能实现中无法进行交互式通信的弊端，进而克服现有智能手机门锁控制方案中在双向认证和抵抗重放攻击中的重大安全缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于智能手机NFC功能的门锁控制安全通信方案。
背景技术
随着NFC技术的成熟，越来越多的智能手机开始支持这一功能。NFC技术整合了ISO/IEC14443A/B以及FeliCa射频识别技术(RFID)标准。NFC技术本身支持卡模拟(CardEmulation)模式，读卡器(RFIDReader)模式以及点对点(P2P)通信模式，功能十分完备，但是现有Android智能手机对NFC功能的实现比较有限，仅实现了读卡器模式和点对点通信的AndroidBeam功能，卡模拟模式只在Android4.4版本以后才引入，并且功能单一。
这些实现上的不完全，限制了智能手机NFC功能的应用范围，目前常用的应用局限于NFC电子标签的读写以及手机之间传递简短的信息，比如名片，图片，网址等，另外一种常见的用途是辅助实现蓝牙的配对。与此同时，现在在各大酒店或办公区使用的智能门锁***有很多都采用非接触式智能卡做为钥匙，虽然提供了一定的便利性，但仍然需要用户携带做为钥匙的智能卡。
由于NFC技术完全兼容现有的常用的非接触式智能卡的底层通信协议，并且手机已经是人们随人携带的必备物品了，因此将拥有NFC功能的智能手机做为智能门锁的钥匙，具有非常好的应用前景。现在已经出现了不少支持NFC功能的智能门锁，但所有这些门锁的设计都没有注意到或者无法解决智能手机通过NFC功能与门锁通信时的认证和通信安全问题，因此安全性非常低，门锁的设计本身便是为了保证安全性，如果设计的支持NFC功能的门锁不考虑无线通信的安全性的话，根本无法保证门锁应有的安全性。
这些现有专利大都回避这一重大安全问题，关键的通信过程只是简单的提到通过NFC手机向门锁发送唯一识别码，甚至在专利《一种基于NFC的门禁***》(申请号：CN201410664589)中出现了技术性错误，该专利中说“NFC(近距离无线通讯技术)具有数据双向传送、相互认证、动态加密和一次性钥匙的特点”。现阶段的NFC技术根本没有相互认证、动态加密和一次性钥匙的特点。
现有专利和产品的关键缺点便是NFC智能手机与门锁通信的通信协议只是简单的通过从手机向门锁发送一条包含唯一识别码或密码之类的识别号码来实现的。这种单方向的数据传递无法实现通信双方的相互认证功能，也无法防止重放攻击的发生。
由于没有相互认证，所以这种门锁***无法防止非法门锁或者非法手机的出现，最简单的攻击情况是攻击者可以通过使用一个拥有NFC功能的手机代替门锁，直接接受合法手机的开锁指令，也就是唯一识别码，之后便可以向门锁重放之前接收到的唯一识别码来开门了。这种攻击实现起来非常方便，只要攻击者可以接触到用于开锁的智能手机，并运行手机上的相应开锁软件，用另一部NFC手机代替门锁靠近用于开锁的手机便可以轻松获取开锁指令，整个过程不会超过1分钟。
这个安全问题的产生原因便是现有通信方案均为单方向的数据传送，而没有手机与门锁的交互过程。究其原因主要是由于现有NFC技术的点对点通信模式的具体实现方案AndroidBeam技术仅支持一次发送一条数据给对方造成的。因此，若想从根本上解决安全性问题，就不能使用AndroidBeam技术。
发明内容
本发明所要解决的问题便是前文提到的NFC智能手机与门锁通信时非交互式，没有相互认证，不能防止重放攻击的安全问题，同时保证功能的可扩展性，通信的及时性以及密码算法的可替换性。
实现上述目的的技术方案如下：
基于智能手机NFC功能的门锁控制安全通信方案，其特征在于：包括两个通信主体，分别为门锁模块与智能手机终端钥匙模块，两个通信主体在ISO/IEC14443协议之上进行通信，其中通信过程分为两部分：
首先门锁模块与钥匙模块进行基于ISO9798-2三轮认证协议的相互认证，互相确认对方主体为合法主体，然后钥匙模块发送请求内容，门锁模块对请求的内容进行响应并反馈信息，最后结束通信。
本发明中采用相互认证的安全通信协议，门锁采用NFC卡模拟模式，智能手机终端采用读卡器模式进行NFC通信，从而达到可以交互式通信的目的，是整个发明可以成立的基础，本发明可以实现门锁与智能终端的交互式通信，克服了现阶段NFC技术P2P模式实现中无法进行交互式通信的弊端。
附图说明
图1为本发明通信过程示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的说明。
本发明中存在两个通信主体：门锁模块LOCK与智能手机终端钥匙模块KEY。门锁模块采用现有的支持卡模拟功能的NFC芯片，并在卡模拟模式下工作，模拟一张使用ISO/IEC14443通信协议的智能卡，而钥匙模块在读卡器模式下工作。两个通信主体在ISO/IEC14443协议之上进行通信。通信过程可以分为两个部分，首先门锁模块LOCK与钥匙模块KEY进行基于ISO9798-2三轮认证协议的相互认证，互相确认对方主体为合法主体，然后钥匙模块KEY发送请求内容，门锁模块LOCK反馈并响应，之后根据反馈的结果结束通信。整个通信过程使用AES加密算法加密保护。本发明没有对门锁中使用的NFC芯片做硬性规定，只要支持卡模拟功能均可使用。本发明对通信过程的加密算法没有要求，可以使用非AES算法的其他对称分组加密算法实现相同功能。
具体通信步骤如下：
(1)首先钥匙模块KEY向门锁模块LOCK发送一个开始认证请求指令REQ_BEGIN，开始整个认证过程；
(2)门锁模块LOCK接收到开始认证请求指令后，门锁模块LOCK产生一个第一随机数，使用其与钥匙模块KEY共享的***密钥KS对产生的第一随机数进行AES加密并发送给钥匙模块KEY；
(3)接着钥匙模块KEY对反馈的消息进行解密，并且产生一个第二随机数和临时会话密钥KT，使用共享***密钥KS(“||”符号表示拼接)对产生的第二随机数、解密结果和临时会话密钥KT进行AES加密并且传输给门锁模块LOCK；
(4)接着门锁模块LOCK对收到的消息进行解密得到解密消息，从而获得临时会话密钥KT与第二随机数，并验证解密消息中是否包含正确的第一随机数，如果包含则完成了对钥匙模块KEY的认证，并使用解密得到的临时会话密钥KT对第一随机数与第二随机数进行AES加密并发送给钥匙模块KEY；如果门锁模块LOCK得到的解密消息包含不正确的第一随机数，则停止通信；
(5)钥匙模块KEY对收到的消息进行解密得到解密消息，验证是否与上步骤门锁模块反馈的消息相同，如果相同则完成对门锁模块LOCK的认证，整个相互认证过程结束；
(6)接下来进行实际请求发送，在接下来的通信中均使用临时密钥进行加密，钥匙模块KEY加密发送需要的请求命令REQ(比如开锁请求加上开锁密钥)，具体命令格式为一个字节的请求码加相应参数。门锁模块LOCK根据收到的请求与相应参数判断是否可以执行该请求命令(比如开锁请求的开锁密钥是否正确)，并根据判断结果执行实际请求，然后响应并反馈信息，具体响应格式为一个字节的响应结果码加相关信息，整个通信过程结束。
本发明技术方案带来的有益效果：
(1)本发明可以实现门锁与智能终端的交互式通信。本发明采用门锁在卡模拟模式下进行工作，智能终端工作在读卡器模式下的设置，克服了现阶段智能手机的NFC功能P2P模式实现中无法进行交互式通信的弊端。
(2)本发明可以实现门锁与智能终端钥匙的相互认证。本发明基于通信双方共享的***密钥KS来实现相互认证功能。在通信的第四步中，如果LOCK验证收到的信息与本身产生的相同，则证明通信对端知道***密钥KS，因此实现LOCK对KEY的合法性认证，同理第五步中如果KEY验证收到的信息与本身产生的相同，则证明通信对端知道***密钥KS，因此实现KEY对LOCK的合法性认证，并且由于双方发送的随机数中均包含有对方的随机数，保证了通信的新鲜性防认证过程中的止重放攻击的发生，因此本发明可以实现相互认证。
(3)本发明可以杜绝重放攻击的发生。本发明的通信过程均使用AES加密算法进行加密，并且每次通信所使用的临时密钥KT均不相同，所以可以杜绝重放攻击的发生。
(4)本发明具有良好的功能扩展性，请求命令使用一个字节编码，可以有256种不同的请求，并且每种请求均可以携带相应参数。方便添加除开锁以外的扩展功能，比如可以设计有时间限制的临时开锁密钥指令、相应的时间同步指令以及开锁日志读取指令等扩展功能。
(5)本发明通信及时，认证速度快，本发明考虑到硬件资源的运算速度的有限性，采用了对称加密算法认证方式，没有使用公钥密码认证方式，极大加快了认证过程与通信过程中加密操作的耗时，经实际测试完全满足门锁控制的实际需求。
本发明使用的加密算法可替换，可以使用任何对称分组加密算法进行替换，整个认证过程和所使用的加密算法没有相关性，只要是对称分组加密算法都可以使用。
以上仅为本发明实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围内。
Claims (6)
1.基于智能手机NFC功能的门锁控制安全通信方案，其特征在于：包括两个通信主体，分别为门锁模块与智能手机终端钥匙模块，两个通信主体在ISO/IEC14443协议之上进行通信，其中通信过程分为两部分：
首先门锁模块与钥匙模块进行基于ISO9798-2三轮认证协议的相互认证，互相确认对方主体为合法主体，然后钥匙模块发送请求内容，门锁模块对请求的内容进行响应并反馈信息，最后结束通信。
2.根据权利要求1所述的基于智能手机NFC功能的门锁控制安全通信方案，其特征在于：通信过程的具体步骤包括：
首先钥匙模块向门锁模块发送一个开始认证请求指令，开始整个认证过程；
门锁模块接收到开始认证请求指令后，接着门锁模块产生一个第一随机数，使用其与钥匙模块共享的***密钥KS对产生的第一随机数进行加密并发送给钥匙模块；
接着钥匙模块对反馈的消息进行解密得到一个解密结果一，并且产生一个第二随机数和临时会话密钥KT，使用共享***密钥KS对产生的第二随机数、临时会话密钥KT和解密结果一进行加密并且传输给门锁模块；
接着门锁模块对反馈的消息进行解密得到一个解密结果二，验证解密结果二中是否包含正确的第一随机数，如果包含正确的第一随机数
则完成了对钥匙模块KEY的认证，并将第一随机数与第二随机数使用临时密钥KT加密发送给钥匙模块KEY；如果解密结果二包含错误的第一随机数，则停止通信；
随后钥匙模块对反馈的消息进行解密得到一个解密结果三，验证是否与上步骤门锁模块反馈的消息相同，如果相同则完成对门锁模块的认证，整个相互认证过程结束；
接下来进行实际请求发送，在接下来的通信中均使用临时密钥进行加密，钥匙模块加密发送需要的请求命令，门锁模块根据收到的请求与相应参数判断是否可以执行该请求命令，并根据判断结果执行实际请求，然后响应并反馈信息，整个通信过程结束。
3.根据权利要求2所述的基于智能手机NFC功能的门锁控制安全通信方案，其特征在于：门锁模块采用支持卡模拟功能的NFC芯片，并在卡模拟模式下进行工作，模拟一张使用ISO/IEC14443通信协议的智能卡；
钥匙模块在读卡器模式下进行工作。
4.根据权利要求2所述的基于智能手机NFC功能的门锁控制安全通信方案，其特征在于：所述通信过程使用AES加密算法加密保护。
5.根据权利要求2所述的基于智能手机NFC功能的门锁控制安全通信方案，其特征在于：所述通信过程使用非AES算法的其他对称分组加密算法。
6.根据权利要求2所述的基于智能手机NFC功能的门锁控制安全通信方案，其特征在于：钥匙模块加密发送需要的请求命令格式为一个字节的请求码加相应参数。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151118 |