CN103902402A

CN103902402A - 射频标签安全芯片设备及其数据处理方法

Info

Publication number: CN103902402A
Application number: CN201210587644.6A
Authority: CN
Inventors: 郭保安; 徐树民; 田心; 屈善新; 刘振; 王卓; 敦晓博; 苏斌
Original assignee: Aisino Corp
Current assignee: Aisino Corp
Priority date: 2012-12-30
Filing date: 2012-12-30
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-12-30
Also published as: CN103902402B

Abstract

本发明实施例提供了一种射频标签安全芯片设备及其数据处理方法。该芯片设备主要包括：存储单元、安全控制电路和射频电路，所述安全控制电路和所述存储单元、射频电路连接，所述安全控制电路提供了基于国产SM7算法的双向认证和数据流加解密处理，完成基于ISO11785协议的数据编解码、CRC校验，所述的存储单元包括：主密钥存储区、子密钥存储区和数据存储区。本发明实施例在基于国密SM7算法的基础上，通过双重认证和数据流加解密单元，达到完成对密钥和数据的读写，使基于ISO11785的低成本射频标签芯片具有安全功能。

Description

射频标签安全芯片设备及其数据处理方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于国产算法SM7和ISO11785通信协议的射频标签安全芯片设备及其数据处理方法。

背景技术

ISO（International Organization for Standa rdization，国际标准化组织）11785采用的是134KHz的频率，作为低频芯片，主要应用于动物射频标签产品。近年来，动物养殖业的信息化采集已上升到国家战略的安全高度，急需加入我国自主研发的安全算法使动物标签的数据信息得到安全的控制和保护。动物标签具有低成本，快速，流程简洁的应用和需求特性，同时兼顾ISO11784协议的数据格式的规定，国家密码管理局于2010年8月30日颁发的《采用SM7密码算法的电子标签芯片规范（征求意见稿）》，使给予对称算法的国产SM7算法满足动物标签的应用需求，适用于射频应用领域。

发明内容

本发明的实施例提供了一种射频标签安全芯片及其数据处理方法，以保证射频标签芯片的安全性。

一种射频标签安全芯片设备，包括：

存储单元、安全控制电路和射频电路，所述安全控制电路和所述存储单元、射频电路连接，所述安全控制电路提供了基于国产SM7算法的双向认证和数据流加解密处理，完成基于ISO11785协议的数据编解码、CRC校验，所述的存储单元包括：主密钥存储区、子密钥存储区和数据存储区。

一种射频标签安全芯片设备的数据处理方法，包括：

射频标签安全芯片设备接收到读写器发送的采用ISO11785协议格式的数据块，所述数据块包括基本数据块和trailer数据块，通过解码模块对所述数据块进行解码；

通过CRC计算模块对解码后的基本数据块的低64bit信息进行CRC校验，当所述CRC校验的输出结果为校验不通过时，所述射频标签安全芯片设备进入中止状态；

当所述CRC校验的输出结果为校验通过时，所述射频标签安全芯片设备对解码后的基本数据块和trailer数据块根据安全控制模块中的状态标志寄存器中的值，对所述存储单元进行三重认证、密钥更新或者数据读取。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例在基于国密SM7算法的基础上，通过双重认证和数据流加解密单元，达到完成对密钥和数据的读写，使基于ISO11785的低成本射频标签芯片具有安全功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于国产算法SM7和ISO11785通信协议的射频标签安全芯片设备的具体结构示意图；附图标记说明：1-解码模块；2-双向鉴别模块；3-数据流加解密模块；4-SM7算法模块；5-存储单元接口模块；6-存储单元；7-安全控制模块；8-CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验码）计算模块；9-随机数模块；10-编码模块；11-射频电路；12-安全控制电路；

图2为本发明实施例提供的一种控制模块状态示意图；

图3为本发明实施例提供的一种读写器/标签发送的数据块的数据格式示意图。

具体实施方式

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例提供了一种基于国产算法SM7和ISO11785通信协议的射频标签安全芯片设备，该芯片在基于国密SM7算法的基础上，通过双重认证和数据流加解密模块，达到完成对密钥和数据的读写，使基于ISO11785的低成本射频标签芯片具有安全功能。

本发明实施例的基于国产算法SM7和ISO11785通信协议的射频标签安全芯片设备的具体结构示意图如图1所示，包括：存储单元、安全控制电路和射频电路，所述安全控制电路和所述存储单元、射频电路连接，所述安全控制电路提供了基于国产SM7算法的双向认证和数据流加解密处理，完成基于ISO11785协议的数据编解码、CRC校验。

所述的存储单元包括：主密钥存储区、子密钥存储区和数据存储区。所述的主密钥存储区、子密钥存储区地址为8bit，所述主密钥存储区、子密钥存储区和数据存储区的地址存放在trailer数据块传递，24bit数据从高到低为：地址+地址取反+地址。

具体的，所述的安全控制电路包括：

与控制总线连接的解码模块、双向鉴别模块、随机数模块、编码模块、SM7算法模块、数据流加解密模块、存储单元接口模块、安全控制模块和CRC计算模块。

所述的安全控制模块，包括存储状态寄存器和流密钥寄存器，用于响应所述双向鉴别模块、数据流加解密模块、随机数模块、CRC模块、编解码模块发送过来的中断信号，根据状态寄存器的标志值，控制使能所述双向鉴别模块、数据流加解密模块、随机数模块、CRC模块、编解码模块，完成读写器与射频标签之间的安全通信，对存储单元进行读写使能控制，实现基于ISO11785协议的通信和数据输入输出。

所述的双向鉴别模块，用于在获得射频电路提供的上电复位信号后，进入双向鉴别状态，完成读写器与射频标签之间的三重认证，对所述随机数模块、SM7算法模块、安全控制模块发送中断信号；

所述的随机数模块，用于在所述双向鉴别模块发送过来的使能信号的控制下，产生32bit随机数，向所述安全控制模块发送所述32bit随机数；

所述的编码模块，用于在所述安全控制模块发送过来的使能信号的控制下，对数据进行编码得到编码数据，在认证阶段，将所述编码数据发送给读写器；在数据传输阶段，将所述编码数据发送给安全控制模块；

所述的解码模块，用于对所述读写器返回的数据进行解码，得到包括64bit信息数据、16bitCRC数据和24bitTrailer数据区的解码数据，将所述解码数据发送给所述安全控制模块；

所述的数据流加解密模块，用于利用所述SM7算法模块提供的SM7算法接口和所述密钥产生的密文作为流密钥，对秘文数据进行解密，得到命令码和操作数的密文，并发送给安全控制模块；对安全控制模块的响应码和响应数据进行加密，将加密后的密文数据发送给CRC计算模块；

CRC计算模块，用于根据ISO11784协议的数据格式的64bit信息数据区，对所述加密后的密文数据进行CRC计算/校验后，发送给安全控制模块。

所述SM7算法模块以硬件电路IP核，提供64bit明文和密文数据、128bit密钥的对称算法的加解密运算接口。

所述的数据流加解密算法模块具有硬件电路IP核，遵照国家密码管理局制定的《采用SM7密码算法的电子标签芯片规范》提供64bit数据流的加解密。根据ISO11784协议的数据格式，对基本数据块和trailer数据块的数据，进行加解密运算。

所述CRC计算校验模块，根据ISO11784协议的数据格式，该模块的输入输出数据，不进行加解密运算。

所述编解码模块根据ISO11785协议采用改进型DBP编码。

本发明实施例是以国家密码管理局推出的国产商用算法SM7算法为基础的符合ISO11785通信协议的射频标签安全芯片。其根据快速安全的国产对称算法以硬件集成电路的射频标签芯片的方式，满足ISO11784数据结构和ISO11785通信协议的要求，和快速低成本的特性需求。

本发明实施例的射频标签安全芯片设备在获得射频前端电路提供的上电复位信号rst后，使能双向鉴别模块，进入双向鉴别状态。

双向鉴别模块根据国密办《采用SM7密码算法的电子标签芯片规范》的规定，使能随机数模块，使能改进型DBP（Differential Binary Phase，差分二进制相移）编码模块发送32bit随机数，进入等待状态；待解码模块结束信号，读取64bit秘文和trailer块中的密钥地址；安全控制模块标记双向鉴别密钥寄存器，标签根据地址读取E2的密钥区，使能SM7算法模块解密文本，与流密钥寄存器中暂存的随机数比较，判断正确后，64bit解密文本高低32bit数据互换，并用SM7模块加密；将新密文CRC计算后发送给读写器，双向鉴别状态结束。

安全控制模块收到bidi_anth_over信号的高电平，芯片设备进入等待状态；若双向鉴别模块鉴别失败，rst信号为零，芯片设备进入空闲状态，交易结束。若解码模块得到ISO11785头数据块，进入解码状态；

安全控制模块得到decoder_over信号高电平，芯片设备进入CRC校验状态，CRC计算模块对解码的低64bit信息数据块进行CRC校验。

安全控制模块得到crc_over信号高电平，判断CRC计算模块的输出数据的正确性。如果不正确，芯片设备进入KILL锁死状态；如果正确，安全控制模块使能存储单元接口模块，判断双向鉴别密钥状态标志寄存器，如果是主密钥，根据trailer数据块的地址，更新密钥区密钥；如果状态标志是子密钥，根据trailer数据块的地址，读/写数据区数据。

更新密钥区结束后，安全控制模块使芯片设备进入空闲状态，通信结束；读数据区结束后，芯片设备进入数据流加密状态。

安全控制模块收到data_den_over信号高电平，使能CRC计算模块，进入CRC计算模块；

数据CRC计算结束后，crc_over信号为高电平，安全控制模块使能编码模块发送数据；

编码模块发送数据结束后，芯片设备进入等待状态。如果芯片设备接收到头数据块，等待decoder_over信号高电平，依次进入CRC校验状态，数据流解密状态，更新存储模块的数据区。否则，芯片设备处于等待状态，等待掉电信号rst=0，进入空闲状态。

上述射频标签安全芯片设备的一种数据处理方法的具体处理过程包括：射频标签安全芯片设备接收到读写器发送的采用ISO11785协议格式的数据块，所述数据块包括基本数据块和trailer数据块，通过解码模块对所述数据块进行解码；

当所述CRC校验的输出结果为校验通过时，所述射频标签安全芯片设备对解码后的基本数据块和trailer数据块根据安全控制模块中的状态标志寄存器中的值，对所述存储单元进行三重认证、密钥更新或者数据读取。具体包括如下的处理过程：

所述射频标签安全芯片设备中的安全控制模块根据解码得到的trailer数据块中的密钥地址从存储单元中的主密钥存储区或子密钥存储区读取密钥，数据流加解密模块利用SM7算法模块提供的SM7算法接口和所述密钥对解码得到的秘文数据进行解密；

当所述安全控制模块中的状态标志寄存器中的值（通过三重认证读写器指定认证密钥地址，安全控制模块根据该地址更新密钥标志位）指示为主密钥时，所述射频标签安全芯片设备根据解密得到的trailer数据块的地址，更新地址标志寄存器，返回响应码，在第二次交互中，读写器发送子密钥密文，标签解密后，根据地址标志寄存器保存的所述存储单元中的子主密钥存储区中的地址，更新E2中的子密钥。

当所述安全控制模块中的状态标志寄存器中的值指示为子密钥时，所述射频标签安全芯片设备根据解密得到的trailer数据块的地址，读/写所述存储单元中的数据存储区中的数据。

图2为本发明实施例提供的一种控制模块状态示意图。

当标签没有进入读写器发射场强或者所处场强小于最小工作场强时，芯片由于没有获得足够的能量而处于无电源状态POWER-OFF。否则，芯片获得能量，并且经过整流稳压的片上供电电压超过上电复位电压，芯片进入状态IDLE。芯片进入IDLE状态下，如果芯片已经执行过KILL指令，则芯片进入KILL状态。否则，芯片状态从IDLE跳转到ACTIVE1状态。在这个状态下读卡设备根据要访问的存储器位置，在Trail数据区指定认证密钥地址，采用相应的密钥来进行三重认证，三重认证通过，进入到ACTIVE2状态。三重认证未通过，返回ERR错误响应码，进入HALL状态。进行三重相互认证过程。进入ACTIVE2状态，标签接收数据时，先对收到的数据进行字节校验和CRC校验，得到读写器发送的指令数据密文，然后以流密钥对该密文进行解密得到发送指令数据明文；标签发送数据时，先对要发送的指令响应数据明文以流密钥进行加密，然后对该指令响应数据密文进行CRC校验，最后将包括指令响应数据密文、字节校验位和CRC校验位在内的所有数据发送给读写器。密钥流只根据指令数据和指令响应数据进行同步。在ACTIVE2状态下，芯片可以执行数据操作指令READ、WRITE、ADD、SUB、RESTORE、TRANSFER指令。正确的离开这个状态的指令为HALT。如果标签通过锁死密钥的认证，进入ACTIVE2状态，那么执行KILL指令可以将芯片/标签置于KILL状态。

在ACTIVE2该状态，可以进行如下存储器操作：

读：读E2数据块；

写：写E2数据块；

减：E2数据块中内容减去一个值，结果保存在数据寄存器中；

加：E2数据块中内容加上一个值，结果保存在数据寄存器中；

恢复：E2数据块中的内容移到数据寄存器，E2数据块中写入新数据；

转移：将数据寄存器中的内容写到指定的E2数据块中；

中断：结束ACTIVE2，直接进入HALT状态。

锁死：锁死卡片。

认证：读写器主动发起返回ACTIVE1，重新开始认证。

HALT状态是一个等待状态。这个状态等待读写器进行下一个三重认证，或卡片掉电结束交易。唯一能够使芯片跳出这一状态的指令是WUPA指令。

在KILL状态下，芯片不响应任何指令，永远无法唤醒。

图3为本发明实施例提供的一种读写器发送的数据块的数据格式示意图，第一次交互，读写器发送的trailer数据块为E2地址，信息数据块为命令编码；第二次交互，trailer为待写入的信息数据块的附加信息数据。

读写器通过子密钥认证后，可以操作数据区。

读写器通过主密钥认证后，可以写但不可以读所述存储单元中的子密钥存储区，不可以读写所述存储单元中的数据区。读写器写所述存储单元中的子密钥存储区时，连续两次由低位到高位发送128bit的子密钥密文，每次trailer数据区为64bit信息数据区的高32bit和低32bit数据异或。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的设备中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的设备中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个设备中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

综上所述，本发明实施例提供了一种国密SM7算法硬件I P核的ISO11785射频安全标签的安全控制电路实现方案，完成国密SM7算法在ISO11785无线通信协议上的应用。该安全标签芯片将SM7算法与ISO11785协议的位宽、快捷性和低成本的应用特性相结合，根据ISO11785协议近距离实际应用的操作环境的特点，精简了读写器于标签之间的通信流程，在具有可靠的安全性的同时，较快捷的完成了一次交互流程。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种射频标签安全芯片设备，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的射频标签安全芯片设备，其特征在于，所述的主密钥存储区、子密钥存储区地址为8bit，所述主密钥存储区、子密钥存储区和数据存储区的地址存放在trailer数据块传递，24bit数据从高到低为：地址+地址取反+地址。

3.根据权利要求1所述的射频标签安全芯片设备，其特征在于，所述的安全控制电路包括：

与控制总线连接的解码模块、双向鉴别模块、随机数模块、编码模块、SM7算法模块、数据流加解密模块、安全控制模块和CRC计算模块；，

所述的安全控制模块，包括存储状态寄存器和流密钥寄存器，用于响应所述双向鉴别模块、数据流加解密模块、随机数模块、CRC模块、编解码模块发送过来的中断信号，根据状态寄存器的标志值，控制使能所述双向鉴别模块、数据流加解密模块、随机数模块、CRC模块、编解码模块，完成读写器与射频标签之间的安全通信；

所述的编码模块，用于在所述安全控制模块发送过来的使能信号的控制下，对数据进行编码得到编码数据，将所述编码数据发送给读写器；

所述的数据流加解密模块，用于利用所述SM7算法模块提供的SM7算法接口和存储单元中存储的密钥产生的密文作为流密钥，对秘文数据进行解密，得到命令码和操作数的密文，并发送给安全控制模块；对安全控制模块的响应码和响应数据进行加密，将加密后的密文数据发送给CRC计算模块；

4.根据权利要求1所述的射频标签安全芯片设备，其特征在于，所述的SM7算法模块以硬件电路IP核，提供64bit明文和密文数据、128bit密钥的对称算法的加解密运算接口。

5.根据权利要求1至4任一项所述的射频标签安全芯片设备，其特征在于，所述的编码模块根据ISO11785协议采用改进型DBP编码。

6.根据权利要求1至4任一项所述的射频标签安全芯片设备，其特征在于，所述的数据流加解密算法模块具有硬件电路IP核，遵照国家密码管理局制定的《采用SM7密码算法的电子标签芯片规范》，提供数据流的加解密。

7.一种射频标签安全芯片设备的数据处理方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的射频标签安全芯片设备的数据处理方法，其特征在于，所述的射频标签安全芯片设备对解码后的数据进行解密，并根据安全控制模块中的状态标志寄存器中的值，对所述存储单元进行密钥更新或者数据读取，包括：

当所述安全控制模块中的状态标志寄存器中的值指示为主密钥时，所述射频标签安全芯片设备根据解密得到的trailer数据块的地址，更新地址标志寄存器，返回响应码，在第二次交互中，读写器发送子密钥密文，标签解密后，根据地址标志寄存器保存的所述存储单元中的子主密钥存储区中的地址，更新E2中的子密钥。

9.根据权利要求7所述的射频标签安全芯片设备的数据处理方法，其特征在于，读写器通过主密钥认证后，可以写但不可以读所述存储单元中的子密钥存储区，不可以读写所述存储单元中的数据区。

10.根据权利要求9所述的射频标签安全芯片设备的数据处理方法，其特征在于，读写器写所述存储单元中的子密钥存储区时，读写器由低位到高位连续两次发送128bit子密钥数据，每次发送的数据格式为前64bit信息数据区为子密钥密文，trailer数据块为信息数据区高32bit和低32bit异或操作。