基于NFC的门禁系统

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摘 要：随着NFC技术的发展和智能手机的普及，现有的门禁系统已难以满足人们的需求。文中设计了一种通过智能手机控制的门禁系统，该系统使用NFC（近场通信）技术实现开锁功能，可以随时随地使用，不需要繁琐的操作与持续的电源供应，只需要NFC功能模块和电池供给的少量电量即可支持系统功能。该系统的后台管理功能可有效管理用户，并可给予权限或收回权限，以使门禁系统始终处在可控范围。最后，在所有的通信过程中加入动态检验码并进行加密传输，从而有效提高了系统的安全性。

关键词：NFC；AES；WCF；门禁系统

中图分类号：TP249 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）06-00-03

0 引 言

计算机技术日新月异，基于网络技术对门禁系统的研究方兴未艾，现如今已形成了体系完整的出入管理系统。然而，重复部署系统耗时耗力，安全威胁与日俱增，人们的需求也在不断提高，多数门禁系统已难以满足人们的期望。与此同时，智能手机的普及与发展，以及nfc技术的出现给了门禁系统新的展望，人们不断尝试将智能手机应用于门禁系统，并从中积累了宝贵的经验。取缔繁琐的操作，减少人力资源的浪费，酒店门禁系统、校园卡门禁系统等都给人们带来了便捷。尽管在不断进步，但门禁系统也存在许多问题。用于身份识别的磁卡因为经常使用会受到损坏，而且磁卡本身体积小，容易丢失，落入外人手里可能还会造成财产损失和个人信息的泄露。磁卡还有相当的制作成本，有的甚至要一直插在卡槽中才能使用，这也给我们的生活带来很多不便。本项目基于这一点，拟用NFC技术设计一种通过手机就能更安全便捷地完成身份验证的门禁系统。门锁的管理者可以通过这个方式，用手机刷门上的NFC模块来打开门锁，同时还可以将开门权限赋给其他用户，让别人也能用手机开门，或是取消权限，保证门禁安全。使用本解决方案，就可以免除磁卡的制作成本，也避免了磁卡丢失补办的问题，让个人信息安全得到保障。该系统不会受到周围温度等环境的影响，且安装、调试简单，后期维护方便。我们将通过不断地测试和改进，提高用户体验和应用的普及性，让更多的用户从中受益。

1 预备知识

1.1 NFC

NFC是一种短距离的高频无线通信技术，在13.56 MHz频率运行于20厘米距离内。其传输速度有106 Kb/s、212 Kb/s、424 Kb/s三种。目前近场通信已通过成为ISO/IEC IS 18092国际标准、EMCA-340标准与ETSI TS 102 190标准。NFC采用主动和被动两种读取模式[1]。

（1）卡模拟模式：此模式相当于一张采用RFID技术的IC卡，可以替代现有的大量IC卡。在此种方式下，卡片通过非接触读卡器的RF域来供电，即便是寄主设备（如手机）没电也可以工作。

（2）点对点模式：此模式类似于红外线，可用于数据交换，传输创建速度较快，传输速度也快，功耗低，只是传输距离较短。将两个具备NFC功能的设备链接，能实现数据点对点传输，如下载音乐、交换图片或者同步设备地址薄。因此通过NFC，多个设备如数位相机、PDA、计算机和手机之间都可以交换资料。

（3）读卡器模式：作为非接触读卡器使用，比如从海报或者展览信息电子标签上读取相关信息。

相对于蓝牙，NFC兼容于现有的被动RFID（13.56 MHz ISO/IEC 18000-3）设备。NFC的功耗更低，与蓝牙V4.0低能协议类似。当NFC在一台无动力设备（比如一台关机的手机、非接触式智能信用卡，或智能海报）上工作时，NFC的能量消耗会大大低于低功率蓝牙V4.0[2]。

1.2 AES算法

高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）在密码学中又称为Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。

假定读者熟悉AES加密算法的过程，我们以128-比特分组长度128-比特密钥长度为例简要描述AES算法的加密过程。AES加密过程在一个4×4 字节的矩阵上运作，这个矩阵又称为“体”，也可看成一个16×1的列向量，即（aij）=（a00，…，a30，a01，…，a31，…，a33）T。在AES加密中包括四个变换（除最后一轮），依次为：字节替换，行移位，列混合和轮密钥加[3，4]。

1.2.1 非线性混乱

字节矩阵中的每个元素按照S[#]进行查表替换。替换表由三个变换组成。

（1）在GF（28）中计算y=x-1（0-1=0）；

（2）计算z=LA・y，这里LA是一个GF上的8×8矩阵；

（3）S-盒输出为LA・y+63

1.2.2 线性扩散

字节矩阵的每一行进行循环移位，字节aij变为ai（j-imod4），可以用一个16×16的字节矩阵RA来完成行移位操作，即：

（2）把字节矩阵的每一列看成是4维GF（28）-向量，然后计算y=D・x，这里D是一个4×4的GF（28）-矩阵。同样的，可以用一16×16的块对角矩阵MixA（每一块都是D）来完成列混合操作，即线性扩散的输出为：

1.2.3 密钥轮加

字节矩阵的每一个字节与相应的轮子密钥字节进行异或，因此，AES的轮函数可以表示为：

2 基于NFC门禁系统方案设计

2.1 整体方案设计

本方案主要由客户端、服务端、NFC模块及Arduino开发板三个端构成。服务端由C#实现，后台管理由PHP提供支持。整个方案流程分为如下几步：

（1）新用户打开App注册；

（2）管理员使用后台管理系统通过用户注册并分配开锁列表及权限[5]；

（3）用户登录手机钥匙，获取开锁列表及相关权限；

（4）用户使用NFC手机靠近NFC模块，使用开锁功能；

（5）门锁被打开，用户可允许的开锁次数减少。

其中，若用户A具有可授权权限，用户A可以通过双方手机NFC直接通信将开锁权限授权给用户B。用户B无需请求服务端管理员分配权限即可获得由用户A所授权的权限。一次开锁流程如图1所示。

2.2 数据传输设计

数据传输设计分如下几步进行：

（1）用户通过NFC手机App请求注册，传输相关注册信息至服务端[6]；

（2）管理员进入后台管理系统通过用户请求及分配权限后，将开锁列表及权限返回至NFC手机[7]；

（3）用户开锁时，请求服务端获取开锁指令；

（4）使用NFC手机靠近NFC模块将开锁指令传输至Arduino开发板进行验证，判断是否进行开锁[8]。

整个方案的数据传输过程都采用了AES加密[9]，保证了数据的安全性，同时保护了用户的个人私密信息。在判断开锁指令是否合法时通过Hashkey值进行比较，增加系统的安全性，防止了恶意用户盗取他人信息从而非法开锁等问题的出现。

2.3 数据库设计

本方案的数据关系（包括实体型、联系类型、属性及标识符）如下：

（1）管理员（aid用户id，logname用户名，pass密码，grade权限，lastdateline最后登录时间，salt随机数）；

（2）用户信息（authid授权条目id，lid锁id，autheduid被授权人id，number允许开锁次数，starttime_d开始日期，endtime_d结束日期，starttime_h开始时间，endtime_h结束时间，authuid授权人id，allow再次授权，fromauthid该条项目是由哪一个授权项目二次授权的）；

（3）开锁记录（hid历史id，lid锁id，date开锁时间，uid用户id）；

（4）门锁信息（lid锁id，lname 锁的名称，isgprs是否允许gprs流量开锁，pass与锁通信数据加密密码，keyword开锁用的关键字）；

（5）加密日志（auto_num自增序列，uid_num用户id，md5_num md5值，lid_num 锁id）；

（6）用户（uid 用户id，ucode用户手机编码，commpass通信数据加密密码，uname 用户姓名，check是否通过验证，date申请日期，del用户是否作废，upk）。

方案数据库的E-R图如图2所示。

3 基于NFC的门禁系统分析

3.1 安全性分析

3.1.1 服务安全性分析

用户访问认证服务时，需要提交动态的通信口令以及个人对整个消息的签名，其中通信口令的变更，保证了攻击者无法进行重放攻击，而通信口令在认证服务返回最新通信口令时，使用AES进行加密，不会被攻击者观察到明文，若攻击者替换返回的通信口令，则用户也无法正常完成通信，因此攻击者无法达到开锁的目的[10]。而签名保证了数据不会被篡改以及攻击者无法伪造消息。

3.1.2 后台管理安全性分析

（1）网站方面除登录页外全部采用session机制，用户若想浏览、操作其他页面必须先登录。此举有效防止了非管理人员查看和管理网站。与session不同的是cookie将用户信息保存在客户端并受浏览器设置限制，不能防止cookie欺骗，而session是将用户信息保存在服务器端与浏览器设置无关，可有效防止他人获得cookie进行欺骗登录，大大提高了网站的安全程度[11]。

（2）网站登录页面对提交的表单内容进行过滤，防止SQL注入且管理用户的密码采用MD5+salt方式存储，其安全程度远高于MD5加密，即使数据库泄露也很难破解用户密码。

3.1.3 开锁指令安全性分析

系统设置每把锁均对应唯一一个Hashkey值，不同电机锁对应开锁指令均不相同，此值即为初始开锁指令。每当用户进行一次开锁操作，服务端和Arduino开发板即使用相同的算法对初始值进行处理变换，但每次开锁所对应的Hashkey亦不相同。传统门禁系统所使用的开锁钥匙若不慎丢失或被复制，非法用户即可顺利完成开锁。本系统通过对于开锁指令加密及轮换处理，即使某一次开锁指令被非法用户窃取，非法用户亦不能打开电机锁，极大地提高了本系统的安全性。

3.2 效率/经济性分析

与传统的门禁系统相比，基于NFC的门禁系统在制作成本、门禁安全、拓展功能方面都有很大的提升。传统门禁系统多采用IC卡作为开锁钥匙，而IC卡存在易损坏、易丢失等问题，增加了用户维护、更换的相关成本。相较于传统方案，本系统只需使用一台带有NFC功能的智能手机即可完成开锁，为用户主要用来通信的智能手机赋予了更多的功能和权限，额外增加的成本较低，且携带方便。

NFC门禁系统与传统门禁系统简单对比如表1所列。

4 结 语

本项目在选题之初就立足于解决生活之中的不便之处，这也是本项目的核心所在――创新。随着智能手机的普及，在我们的生活中手机也被赋予了更多的功能，使用手机做为门禁系统的钥匙更加具有竞争力。本系统使用带有NFC功能的智能手机代替传统钥匙，满足用户对于门禁系统安全、便捷且成本较低的需求。这也是本方案的创新之处。但本方案仍存在些许不足之处，有待改进。

参考文献

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[3] Kotturi D， Yoo S M， Blizzard J. AES crypto chip utilizing high-speed parallel pipelined architecture[C].Circuits and Systems， 2005. ISCAS 2005. IEEE International Symposium on. IEEE， 2005： 4653-4656.

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[11] Resnick S，Crane R，Bowen C.Essential windows communication foundation： for .net framework 3.5[M].Addison-Wesley Professional，2008.