具備 Nonce 防側錄功能的 RFID 模擬器
如果駭客錄下了標籤發送的「加密後字串」，下次再重播（Replay）給讀取器，讀取器依然會認為是合法的標籤。
為了防止這種 重播攻擊 (Replay Attack)，我們引入 Nonce (隨機數) 機制：
讀取器發送挑戰 (Challenge)：讀取器先發送一個隨機數 $R$ 給標籤。
動態加密：標籤將
UID與這個 $R$ 結合後再進行加密。一次性密文：因為每次的 $R$ 都不同，所以即便 UID 相同，每次傳輸的加密字串都會改變。
具備 Nonce 防側錄功能的 RFID 模擬器
防重播攻擊的安全性分析
為什麼舊的密文失效了？ 在表格中你可以觀察到，雖然我們只有一個標籤（ID 永遠是
53 71 37 A4 F6），但每一輪產生的 Cipher 都是完全不同的。如果駭客側錄了第一輪的密文
A1 B2...。在第二輪時，Reader 發出了新的 Nonce。
駭客重播
A1 B2...，Reader 使用新的 Nonce 去解密，結果會變成一串亂碼，驗證就會失敗。
雙向認證的基礎： 這是現代 RFID（如悠遊卡 Mifare DESFire）的核心。透過這種「挑戰-應答 (Challenge-Response)」模式，確保通訊內容具有 時效性 (Freshness)。
實務觀察：
黃色閃爍：標籤正在計算基於當前 Nonce 的專屬密文。
綠色/紅色：Reader 比對解密結果是否與資料庫中的 UID 符合。
import tkinter as tk
from tkinter import ttk
import random
import time
from threading import Thread, Event
class SecureRFIDCipher:
@staticmethod
def process(hex_data, hex_key, hex_nonce):
"""結合 Nonce 的加密邏輯：Cipher = (Data XOR Nonce) XOR KeyStream"""
try:
# 將 Data 與 Nonce 先進行初次混淆 (簡單範例：XOR)
val_data = int(hex_data.replace(" ", ""), 16)
val_nonce = int(hex_nonce.replace(" ", ""), 16)
mixed_hex = hex(val_data ^ val_nonce)[2:].upper()
# 以下套用之前的 Stream Cipher 邏輯
clean_hex = mixed_hex
plain_bin = bin(int(clean_hex, 16))[2:].zfill(len(clean_hex) * 4)
key_bin = bin(int(hex_key, 16))[2:].zfill(len(hex_key.replace(" ","")) * 4)
state = [int(b) for b in key_bin]
keystream = []
for _ in range(len(plain_bin)):
out = state[-1]
feedback = state[0] ^ state[2]
state = [feedback] + state[:-1]
keystream.append(out)
cipher_bits = [int(plain_bin[i]) ^ keystream[i] for i in range(len(plain_bin))]
cipher_bin = "".join(map(str, cipher_bits))
hex_out = hex(int(cipher_bin, 2))[2:].upper().zfill(len(clean_hex))
return " ".join(hex_out[i:i+2] for i in range(0, len(hex_out), 2))
except:
return "ERR"
class ReplayProtectionSim:
def __init__(self, root):
self.root = root
self.root.title("RFID 防重播攻擊 (Nonce Challenge) 模擬器")
self.system_key = "AC55"
self.current_nonce = "0000"
self.tag = {"id": "53 71 37 A4 F6", "label": "Secure-Tag"}
self.is_running = False
self.pause_event = Event()
self.pause_event.set()
self.setup_ui()
def setup_ui(self):
# 頂部：安全參數
param_frame = tk.Frame(self.root, bg="#2c3e50", pady=10)
param_frame.pack(fill="x")
tk.Label(param_frame, text="Current Nonce (R):", fg="#f1c40f", bg="#2c3e50", font=("Arial", 10, "bold")).pack(side=tk.LEFT, padx=10)
self.lbl_nonce = tk.Label(param_frame, text=self.current_nonce, fg="white", bg="#2c3e50", font=("Courier", 12))
self.lbl_nonce.pack(side=tk.LEFT)
# 視覺化
self.canvas = tk.Canvas(self.root, width=600, height=150, bg="white")
self.canvas.pack(pady=10)
self.tag_rect = self.canvas.create_rectangle(250, 40, 350, 100, fill="#ecf0f1", width=2)
self.canvas.create_text(300, 70, text="Tag-01", font=("Arial", 10, "bold"))
self.lbl_flow = self.canvas.create_text(300, 130, text="等待 Reader 挑戰...", fill="gray")
# 控制鈕
btn_frame = tk.Frame(self.root)
btn_frame.pack(pady=5)
self.btn_run = tk.Button(btn_frame, text="▶ 開始挑戰應答", command=self.start_sim, bg="#27ae60", fg="white", width=15)
self.btn_run.pack(side=tk.LEFT, padx=5)
tk.Button(btn_frame, text="⏹ 結束", command=self.stop_sim, bg="#c0392b", fg="white", width=12).pack(side=tk.LEFT, padx=5)
# 日誌表格
self.tree = ttk.Treeview(self.root, columns=("Nonce", "Cipher", "Verified"), show="headings", height=8)
for col in ("Nonce", "Cipher", "Verified"): self.tree.heading(col, text=col)
self.tree.pack(fill="both", padx=10, pady=10)
def stop_sim(self):
self.is_running = False
def start_sim(self):
if self.is_running: return
self.is_running = True
self.btn_run.config(state=tk.DISABLED)
Thread(target=self.protocol_logic, daemon=True).start()
def protocol_logic(self):
while self.is_running:
# 1. Reader 生成隨機 Nonce
self.current_nonce = hex(random.getrandbits(16))[2:].upper().zfill(4)
self.root.after(0, lambda: self.lbl_nonce.config(text=self.current_nonce))
self.root.after(0, lambda: self.canvas.itemconfig(self.lbl_flow, text=f"Reader 送出 Nonce: {self.current_nonce}", fill="blue"))
time.sleep(1.2)
# 2. Tag 接收 Nonce 並進行動態加密
encrypted = SecureRFIDCipher.process(self.tag["id"], self.system_key, self.current_nonce)
self.root.after(0, lambda: self.canvas.itemconfig(self.tag_rect, fill="#f1c40f"))
self.root.after(0, lambda: self.canvas.itemconfig(self.lbl_flow, text=f"Tag 回傳密文: {encrypted}", fill="orange"))
time.sleep(1.2)
# 3. Reader 驗證
decrypted = SecureRFIDCipher.process(encrypted, self.system_key, self.current_nonce)
is_valid = (decrypted.replace(" ","") == self.tag["id"].replace(" ",""))
res_text = "驗證成功 (合法標籤)" if is_valid else "驗證失敗 (無效密文)"
res_color = "#2ecc71" if is_valid else "#e74c3c"
self.root.after(0, lambda: self.canvas.itemconfig(self.tag_rect, fill=res_color))
self.root.after(0, lambda: self.canvas.itemconfig(self.lbl_flow, text=res_text, fill=res_color))
self.root.after(0, lambda: self.tree.insert("", 0, values=(self.current_nonce, encrypted, "YES" if is_valid else "NO")))
time.sleep(2)
self.root.after(0, lambda: self.canvas.itemconfig(self.tag_rect, fill="#ecf0f1"))
self.root.after(0, lambda: self.btn_run.config(state=tk.NORMAL))
if __name__ == "__main__":
root = tk.Tk()
app = ReplayProtectionSim(root)
root.mainloop()
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