DES算法在自行車租賃系統中的應用

魏文俊+張晶+朱鵬宇??

摘要：公共自行車租賃系統已逐步納入城市公共交通體系，以解決公交出行“最后一公里”問題。本文針對自行車租賃系統中的安全認證問題，提出用軟件模塊實現DES算法代替傳統所使用的PSAM（Purchase Secure Access Module）硬件卡方案，分別在自行車租賃系統內的售卡系統、消費終端和車輛信息幾個模塊中，實現DES加密。不僅提高現有系統智能卡的擴展性和安全性，而且減少硬件成本，提高了系統的效率。

關鍵詞：DES；自行車租賃；密鑰

中圖分類號：TP399文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.018

1引言

隨著城市交通機動化的發展，交通擁堵、環境污染等問題越來越嚴重，發展慢行交通，建立城市公共自行車系統顯得及其重要。2005年北京出現了公共自行車，但是系統的發展緩慢。直到2008年杭州公共自行車系統的投入使用，才引發了國內公共自行車發展的浪潮[1]。目前，在北京、深圳、武漢等多個城市都啟動了公共自行車服務，杭州和武漢擁有世界上最大的公共自行車系統，數量分別在6.5萬輛和7萬輛。中國已經成為公共自行車規模增長快、發展相對成功的國家之一[2]。公共自行車租賃系統主要由以下四部分組成：自行車（攜帶RFID）、鎖樁、站點、后臺管理系統，如圖1所示。鎖樁通過讀取自行車RFID信息和用戶卡號進行租還車；站點對鎖樁進行統一管理，對用戶卡進行鑒權，同時和后臺管理系統進行數據交換；后臺管理系統完成運營調度和業務管理，其中業務管理作為后臺管理系統核心部分，主要負責面向用戶的事務處理，涉及卡片管理、用戶管理、事務辦理等相關內容[3]。

作為公共服務，安全認證是整個系統的重點。傳統的安全認證采用硬件（PSAM卡：30元/張）實現，將PSAM卡分別安裝在鎖樁、站點、后臺管理系統，每次租還車交易都需進行PSAM卡安全認證。一個小規模的自行車系統至少需要上千張PSAM卡，成本高且不便于管理。

圖1公共自行車租賃系統

DES算法是最常見的對稱密鑰算法，屬于對稱算法中的分組密碼算法，其算法公開、安全性高、密鑰容易獲取，運算過程簡潔[4]。本文旨在通過DES算法來替換已有的硬件加密模塊，主要涉及到業務管理模塊中用戶卡的安全認證、站點模塊的用戶卡的安全認證、鎖樁模塊的自行車RFID信息認證，采用一卡一密。該設計采用軟件模塊實現，在保證高安全性的前提下，與傳統的PSAM卡不再作為硬性捆綁，直接使用DES算法進行消費主密鑰的產生和認證，實際使用中降低了硬件成本，操作簡便，擁有好的用戶體驗。

2DES算法原理

DES算法是一種常見的對稱加密算法，該算法技術公開，算法簡潔，安全性高。DES算法在通信領域一般主要應用在以下幾個方面[5]：

（1）計算機網絡通信：對計算機網絡通信中的數據提供保護是DES的一項重要應用；

（2）電子資金傳送系統：采用DES算法加密電子資金傳送系統中的信息，可準確、快速地傳送數據，并可較好地解決信息安全的問題；

（3）保護用戶文件：用戶可自選密鑰對重要文件加密，防止未授權用戶竊密。

DES加密過程由四部分組成，分別為：初始置換函數IP、子密鑰Ki、獲取密鑰函數F及末置換函數IP-1。

DES的加密算法基本過程為：初始置換函數IP接收長度為64位的明文輸入，末置換函數IP-1輸出64位的密文。在子密鑰的獲取過程中，通過密鑰置換獲取從K1到K16共16個子密鑰，這16個子密鑰分別順序應用于密碼函數的16次完全相同的迭代運算中[6]。如下圖2所示。

DES的解密算法與加密算法完全相同，只需要將密鑰的應用次序與加密時相反應用即可。3算法模塊在自行車系統中的應用

3.1自行車電子標簽（RFID）數據存儲結構

自行車電子標簽內存儲行政區劃代碼、自行車序號和運營機構序號信息，存儲位置為電子標簽扇區1，存儲結構見表1。鎖樁通過感應位于自行車前端的RFID（Radio Frequency Identification），通過規定的DES算法來獲取自行車的信息，保證系統中自行車的合法身份，自由通過合法驗證的車輛才能上架。

3.2用戶卡數據存儲結構

在本系統中，業務管理模塊和站點管理模塊均會涉及到用戶卡的安全策略。為了享有騎行服務，用戶需要在業務管理模塊進行業務辦理，業務管理模塊負責完成用戶卡安全策略的初始化操作；租還車時，通過鎖樁獲取用戶卡的卡號，并傳遞給站點，由站點管理模塊負責用戶卡合法性的驗證，只有驗證通過的用戶卡才能進行租還車[7]。

3.3密鑰管理思路

采用邏輯加密卡密鑰安全控制策略保障數據的安全性，制定密鑰安全策略如下：

（1）由獨立機構生成KeyAn，作為扇區0～2內控制讀權限密鑰的根密鑰，向各區縣運營監管機構開放；

（2）各區縣運營監管機構生成KeyBn，作為扇區0～2內控制寫權限密鑰的根密鑰，不對外開放；

（3）獨立機構與各區縣運營監管機構制定密鑰管理制度，保障密鑰數據的生成、傳輸、存儲和使用的安全。

3.4密鑰運算規則

算法的安全性主要在于密鑰的安全性，DES算法中密鑰是其輸入之一，對比兩次加密結果來實現安全認證。下邊簡要描述在系統中DES算法的使用規則。

KeyAn控制讀權限，由KeyA對復制1次的唯一標識卡號SN（芯片序列號為4字節，復制后為8字節）進行分散（DES算法加密）獲得，即KeyAn= DES （KeyA， SN||SN），保證一卡一密鑰；KeyBn控制讀寫權限，由KeyB對復制1次的唯一標識卡號SN（芯片序列號為4字節，復制后為8字節） 進行分散（DES算法加密）獲得，即KeyBn= DES（KeyB， SN||SN），保證一卡一密鑰[8]。