ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—３５３ｘ．２００９．１１．０２０
ＸＴＥＡ加密算法在超高频ＲＦＩＤ芯片上的实现
吕世磊，张春
（清华大学微电子学研究所，北京１０００８４）
摘要：随着ＲＦＩＤ系统在自动识别领域的广泛应用，各种安全问题逐渐显露，对于低成本ＲＨＤ系统，尽可能降低硬件电路开销是降低成本的关键。选择ＸＴＥＡ算法作为安全验证过程中的加密算法，并将其嵌入ＩＳ０１８０００．６Ｃ协议。在设计过程中，考虑了４种不同的方案，针对时间、面积和功耗进行了优化，最终实现的加密电路等效规模约２６００门，在时钟频率为２５０ｋＨｚ时，使
ｍ８即可完成安全机制中的认证操作。用Ｐｒｉｍｅｐｏｗｅｒ对电路进行功耗分析，功耗约为１６．３ｐＷ。关键词：射频识别；ＸＴＥＡ算法；超高频；ＩＳ０１８０００．６Ｃ协议中图分类号：ＴＰ３０９．７
文献标识码：Ａ
文章编号：１００３．３５３Ｘ（２００９）１１．１１２７－０４
ＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＸＴＥＡ
（Ｉｎａ／ｔｕｔｅ
ＵＨＦＲＦＩＤＣｈｉｐ
ｏｆ胁咖幽啪ｎ讧，乃咖‰毋，蛾１０００８４，吼讯口）
ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＲＨＤ）ｓｙｓｔｅｍｉｓ印ｐｌｉｅｄ
ｉｎｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅ
ＬＯＳｈｉｌｅｉ，ＺｈａｎｇＣｈｕｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｈｅ
ａ嗍．Ｈｏｗｅｖｅｒ，
ｂｒｏａｄｅｎｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＲＦｔａｇｓｂｒｉｎｇｓｌａｔｅｎｔｓｅｃｕｒｉｔｙａｎｄｐｒｉｖａｃｙｒｉｓｋｓ．Ｆｏｒ
ｌｏｗ－ｃｏｓｔＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ
ｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅ
ｐｏｗｅｒ．ＸＴＥＡ
ｕｓｅｄ酗ｔｈｅｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎ
ｏｒｄｅｒｔｏｇａｉｎｍｉｎｉｍｕｍｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，ｓｍａｌｌｆｏｏｔｐｒｉｎｔ，ｌｏｗＩｔｔａｋｅｓ５ｃｉｒｃｕｉｔｈａｓ
ｐｏｗｅｒ
ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ，ｆｏｕｒｓｏｌｕｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．
ｋＨｚｓｙｓｔｅｍｃｌｏｃｋ．Ｔｈｅｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ
ｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｗｈｏｌｅａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｕｎｄｅｒ２５０
ａｌｔ七ａ
ｏｆａｂｏｕｔ２６６３４．５川【ｎ２ｕｓｉｎｇＵＭＣ０．１８弘ｍＣＭＯＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈｃｏｓｔｓａｂｏｕｔｂｙ
１６．３ｔｔＷｗｈｅｎ
ｔｅｓｔｅｄ
Ｐｒｉｍｅｐｏｗｅｒ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＨＤ；ＸＴＥＡ；ＵＨＦ；ＩＳＯ１８０００－６ＣＥＥＡＣＣ：１２６５Ａ
射频识别技术（ＲＦＩＤ）是利用射频方式进行
频标签）企图通过某一特定读卡器获得认证的行为；
③对窃听无线通信信道的行为具有一定的防范能力。
超高频ＲＨＤ读取距离可高达到５—３０ｍ。超高频ＲＨＤ的应用标准主要有ＩＳ０１８０００．６Ａ／Ｂ／Ｃ，ＮＣＩＴＳ２５６等，其中ＮＣＩＴＳ２５６目前主要用于轨道交通，ＩＳ０１８０００．６Ｂ标准多用于交通领域，而ＩＳ０１８０００－６Ｃ主要用于物流、生产管理和供应链管理领域。Ｃ类标签的速度高、价格低，生产销售的数量远远超过Ｂ类，有逐步替代Ｂ类的趋势。
超高频ＲＦＩＤ由于其应用的特点，对安全性要求不如１３．５６ＭＨｚ的高频ＲＨＤ那么苛刻，但出于成本的考虑，对芯片实现面积有较高的要求。本文
远距离通信以达到物品识别的目的，可以用来追踪和管理几乎所有物理对象。近几年来射频识别系统在自动识别领域的应用越来越广泛，随着应用量的增加，各种安全问题逐渐显露。一个高度安全的射频识别系统要求系统能够对以下三方面的单项攻击给予有效的防范：
①系统能够有效防止未经授权的读出、改写及复制数据载体的行为；
②系统能够有效阻止非授权的伪数据载体（射
基金项目：国家“８６３”计划支持项目（２００６ＡＡ０４Ａｔ０９）
万方数据　
等：ＸＴＥＡ加密算法在超高频ＲＦＩＤ芯片上的实现
介绍了一种超高频ＲＦＩＤ芯片加密单元的设计，加密算法采用ＸＴＥＡ算法。通过对四种方案的比较，最终实现了面积和功耗的优化，已用于ＮＣＩＴＳ２５６和ＩＳ０１８０００—６Ｃ的ＲＦＩＤ芯片。
ＸＴＥＡ算法
ｘＴ队算法原理
ＸＴＥＡ算法是ＴＥＡ算法…的衍生算法。ＴＥＡ算
法及其衍生算法以简洁著称。ＴＥＡ算法于１９９４年在Ｆａｓｔ
ＳｏｆｔｗａｒｅＥｎｅｒｙｐｔｉｏｎ
Ｗｏｒｋｓｈｏｐ－－ｅａｒｌｙ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ
ｗｏｒｋｓｈｏｐ上首先被剑桥大学计算机实验室的Ｄ．Ｗｈｅｅｌｅｒ和Ｒ．Ｎｅｅｄｈａｍ提出。ＴＥＡ算法使用
ｂｉｔ信息分组，通过６４轮（每轮数据经过一个
Ｆｅｉｓｔｅｌ结构模块进行处理）的计算产生１２８ｂｉｔ的密文（两位作者在提出这一观点时，认为３２轮计算应该足以满足需求）。ＴＥＡ算法是一种简洁、易实现的小型加密算法，但是它也存在一定的安全隐患。首先，它对相关密钥攻击的防范能力有限；第二，ＴＥＡ算法的有效密钥长度是１２６ｂｉｔ，而不是实际提供的１２８ｂｉｔ，这将有可能在算法实现过程中产生一些问题。
ＸＴＥＡ算法针对ＴＥＡ算法在防攻击方面的弱点
进行了改进，其基本结构与ＴＥＡ算法相似，仍使
用Ｆｅｉｓｔｅｌ结构作为基本运算模块，单模块内部的运
算针对前述ＴＥＡ的弱点进行了调整。利用Ｃ代码
描述图１中的编码过程如下
初始化：ｓｕｍ＝０循环：ｆｏｒ
Ｙ＋＝（ｚ《４＾ｚ》５）＋ｚ＾ｓｕｍ＋ｋ［ｓｕｍ＆３］
ｓｕｍ‘＝ｄｅｌｔａ
ｚ＋＝（ｙ《４＾ｙ》５）＋ｙ‘ｓｕｍ＋ｋ［ｓｕｍ》１１＆３］其中凡为选定的总轮数，ｄｅｌｔａ为
ｄｅｌｔａ＝（朽一１）２３１。（９Ｅ３７７９８９）１６
ＸＴＥＡ算法选用了与ＴＥＡ算法相同的运算模块
（异或、移位、加法），但是运算模块的调用顺序与
ＴＥＡ算法有所不同，而这些不同构成了ＸＴＥＡ算法
与ＴＥＡ算法区别的关键。为了保护密钥不被攻击，在ＸＴＥＡ算法中以一个相对缓慢的速度加入相比较而言规律性较小的子密钥。ＸＴＥＡ算法由于加入了
上述的一些改进措施，因此在效率上要比ＴＥＡ算法
略慢，但是这种速度的下降非常轻微，相比通过这样的速度牺牲获得的安全强度上的优势，这样的折衷无疑是非常值得的。
１１２８半导体技术第３４卷第ｌｌ期
方数据图１
ＸＴＥＡ算法一轮运算流程图
Ｆｉｇ．１
Ｔｗｏｆｅｉｓｔｅｌ
ＩＤｕｎｄｓ（ｏｎｅｃｙｃｌｅ）ｏｆＸＴＥＡ
ｘＴＥＡ算法的安全性分析
表１给出了各种针对ＸＴＥＡ算法的攻击的最佳
结果。截止到目前为止，还未能有任何组织和个人宣称能够成功地破解ＸＴＥＡ算法【２】。在实际使用过程中还可以通过定期更换密钥的方式来加强整个系统的安全性能。
针对ｘＴＥＡ算法的攻击效果
Ｔａｂ．１
ＲｅｓｕＩｔｓｏｆａｔｔａｃｋ０ｎ×ＴＥＡ
这里需要说明的一点是，认为标签芯片的片上片进行剖片，也仅能够从电路结构中反提出已经完
全公开的ＸＴＥＡ算法的运算流程，而不可能获得存
储在ＥＥＰＲＯＭ空间中的密钥。
ＸＴＥＡ算法的硬件实现
２．１基本电路结构
利用硬件语言（Ｖｅｒｉｌｏｇ）能够较方便地实现
ＸＴＥＡ算法。在实现过程中，需要在电路面积消耗
和运算速度两个指标之间作一个折衷考虑。
２００９年１１月
存储单元是安全的，即便恶意攻击方能够对标签芯２
图２给出了硬件实现ＸＴＥＡ算法的电路结构示意图，基于ＸＴＥＡ算法编解码过程的相似性，这里采取编码器与解码器使用相同电路结构的形式来节省电路面积消耗。通过ｍｏｄｅ来控制编解码器的工作状态（编码状态或解码状态）。电路的核心部分是一个状态机，通过状态控制器来控制电路的状态，根据相应的状态，数据通道控制整个电路的数据交换，开辟一定的缓存区间存储编、解码过程中必要的一些中间数据信息。
图２基于ＸＴＥＡ算法的编解码器硬件实现结构
Ｆｉｇ．２
Ｈａｒｄｗａｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｃｏｄｅｃｂａｓｅｄ
编解码器在使能信号ｃｎ有效时从使能端进人工作状态，从外部的数据通路读入明文或密文，编解码器在工作过程中给出ｂｕｓｙ信号，此时外部电路应处于等待状态。当编解码器结束工作时，外部电路从电路的外部数据通路（Ｄａｔａ端）读取加密后的密文或解密后得到的明文。?
２．２电路结构优化
出于减小电路面积消耗的考虑，电路只提供一个加法运算单元、一个异或运算单元，数据通过缓存存储到缓存区域中。表２给出了比较有代表性的几次尝试结果。
表２各种电路实现方式开销一览表
Ｔａｂ．２
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅａｌｉｚｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ
Ｃａｓｅｌ
Ｃａｓｅ２Ｃａｓｅ３Ｃａｓｅ４运算单元位数／ｂｉｔ
缓存单元ｓⅫ
寄存器堆寄存器堆
Ｆｅｉｓｔｅｌ周期６２９２９２０编／解码周期３８６１
１２９０电路７ｂ｝｛／ｐｍ２４０５７８．４
３６２７０．６３３５８６．７
６３４．５
ｌ：运算单元均为３２ｂｉｔ，缓存使用￥ｒａｍ。
一次ｆｅｉｓｔｅｌ结构运算需６个时钟周期，完成３２轮运算需要６
２×３２＝３８４个时钟周期，加上与外
部数据通路之间的数据交换处理（如读人数据和输出数据），总计３８６个时钟周期。使用ＵＭＣ０．１８ｐ．ｍ
工艺综合后，电路面积为４０
５７８．４
ｐｍ２（２０１．４ｐｍ×
２０１．４
ＩＩｍ）。
方数据吕世磊等：ＸＴＥＡ加密算法在超高频ＲＦＩＤ芯片上的实现
２：运算单元均为８ｂｉｔ，可最多同时从缓存
中读、写合计３２ｂｉｔ数据，缓存使用８ｒａｍ。
一次ｆｅｉｓｔｅｌ结构运算需２９个时钟周期，完成３２轮运算需要２９×２
８５６个时钟周期，加上与
外部数据通路之间的数据交换处理，总计Ｉ８６５个时钟周期。使用ＵＭＣ
０．１８胛工艺综合后，电路面积
为３６２７０．６．ｍ２（１９９．４ｐ．ｍ×１９９．４弘ｍ）。
３：运算单元均为８ｂｉｔ，可最多同时从缓存
中读写各１６ｂｉｔ数据，缓存使用寄存器堆。
时间消耗没有变化。使用ＵＭＣ
ｔｔｍ－工艺综
合后，电路面积为３３５８６．７肛ｍ２（１８３．２
１８３．２肛ｍ）。
Ｃａｓｅ４：对Ｃａｓｅ３进行优化，将部分电路改为异步组合逻辑。
一次ｆｅｉｓｔｅｌ结构运算需２０个时钟周期，完成３２轮运算需要２０Ｘ２×３２＝ｌ２８０个时钟周期，加上与外部数据通路之间的数据交换处理，总计１２９０个时钟周期。使用ＵＭＣ０．１８／，ｍ－ｌ－艺综合后，电路面积
６３４．４８
ｐＩｌｌ２（１６３．２ｐｍ×１６３．２ｐｍ）。
按照目前课题组所采用的９００ＭＨｚ的ＲＦＩＤ系统提供给数字部分的时钟频率进行估算，（这里选用
１８０００．６Ｃ协议标准的数字逻辑时钟频率
２５０ｋＨｚ），Ｃａｓｅ
４完成一次编／解码需要１２９０个时钟
周期，ｅＰ５咖左右，可以基本满足实时应用的速度要
ＸＴＥＡ算法嵌入ｌＳ０１８０００－６Ｃ协议
读卡器与标签之间的加密验证方法包括以下步
１）读卡器对标签进行唤醒；
２）读卡器获取密钥信息，计算产生密钥Ｋｅｙ，具体包括：
Ａ）读卡器读取标签的序列号ＩＤ；
Ｂ）读卡器利用标签的序列号通过事先约定的密钥产生算法，计算得到该标签的密钥Ｋｅｙ；
３）进行标签对读卡器的验证，具体包括：Ａ）读卡器向标签发送随机数ＲＡ；
Ｂ）读卡器向标签发送编码数据包Ｔｏｋｅｎｌ，该数据包包含Ｒ＾’和另一个随机数ＲＢ；其中ＲＡ’是通信双方使用ＸＴＥＡ算法利用密钥Ｋｅｙ对随机数Ｒ＾进行加密后得到的数据，即Ｒ＾’＝ＸＴＥＡ（Ｋｅｙ，Ｒ＾）；
Ｃ）标签对收到的随机数Ｒ＾，使用加密算法ＸＴＥＡ利用密钥Ｋｅｙ对随机数Ｒ＾进行加密后得到
Ｒ＾”，且ｐＲ＾”＝ＸＴＥＡ（Ｋｅｙ，Ｒ＾）；
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