1 概述

RFID作為一種新型的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)物體進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別過(guò)程使用無(wú)線射頻，不需要激光或外部材料透明，因此可以透過(guò)外部材料對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別［1］。RFID具有無(wú)需直接與被識(shí)別物體進(jìn)行接觸和人工干預(yù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于停車場(chǎng)管理系統(tǒng)、汽車或火車等的交通監(jiān)控系統(tǒng)、高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)、安全出入檢測(cè)、流水線生產(chǎn)自動(dòng)化、動(dòng)物管理、倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)管理、車輛防盜等應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)收集和處理。隨著RFID的廣泛應(yīng)用，因?yàn)槠渚哂械膹?qiáng)大標(biāo)簽追蹤能力，用戶的信息隱私問(wèn)題及信息交互時(shí)的數(shù)據(jù)認(rèn)證問(wèn)題成為了系統(tǒng)主要的安全問(wèn)題［2］。所謂信息隱私問(wèn)題是指閱讀器不用通過(guò)安全認(rèn)證就能讀取標(biāo)簽內(nèi)容，從而造成標(biāo)簽被非法跟蹤及信息泄露;數(shù)據(jù)認(rèn)證問(wèn)題指的是讀寫(xiě)器在讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí)，不需要通過(guò)認(rèn)證，從而造成標(biāo)簽數(shù)據(jù)被復(fù)制或篡改等安全問(wèn)題［3］。

2 RFID系統(tǒng)的安全需求分析

設(shè)計(jì)RFID標(biāo)簽應(yīng)用方案時(shí)應(yīng)注意保護(hù)消費(fèi)者隱私，從解決ID泄漏，ID追蹤、信息推斷、信息回溯等問(wèn)題著手。因此RFID系統(tǒng)安全的需求如下［4］：

1）訪問(wèn)授權(quán)：即標(biāo)簽對(duì)讀寫(xiě)器進(jìn)行認(rèn)證。

2）標(biāo)簽認(rèn)證：即讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行認(rèn)證，標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的雙向認(rèn)證。

3）標(biāo)簽的匿名性：標(biāo)簽用戶的真實(shí)身份等信息要經(jīng)過(guò)加密，以保證通信過(guò)程中隱私信息的機(jī)密性。

4）前向安全性：即使攻擊者攻破某個(gè)標(biāo)簽獲得了它當(dāng)前時(shí)刻t2的狀態(tài)，該攻擊者也無(wú)法將該狀態(tài)與之前任意時(shí)刻tl（tl　　5）后向（反向）安全性與標(biāo)簽所有權(quán)轉(zhuǎn)移：標(biāo)簽在時(shí)刻tl的秘密信息不足以用來(lái)在時(shí)刻t2（t2》t1）識(shí)別認(rèn)證該標(biāo)簽（抵抗重放攻擊）。若一個(gè)安全協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)后向安全性，那么所有權(quán)轉(zhuǎn)移就有了保證。每次發(fā)送的身份信息需要不斷變化，且變化后的值不能由變化前的值推導(dǎo)出。

6）拒絕服務(wù)攻擊：可以使標(biāo)簽與讀寫(xiě)器的密鑰、假名變化不同步，導(dǎo)致讀寫(xiě)器不能讀標(biāo)簽。也可以Kill標(biāo)簽，使標(biāo)簽實(shí)效。還可以通過(guò)對(duì)合法標(biāo)簽廣播大量的訪問(wèn)請(qǐng)求，使得標(biāo)簽無(wú)法對(duì)合法讀寫(xiě)器的訪問(wèn)進(jìn)行響應(yīng)，或者反過(guò)來(lái)對(duì)讀寫(xiě)器廣播大量標(biāo)簽信息。

7）可用性：RFID系統(tǒng)在受到各種攻擊后無(wú)法正常工作。例如去同步化攻擊導(dǎo)致標(biāo)簽和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)信息不匹配而導(dǎo)致合法標(biāo)簽失效。

3 SASI協(xié)議

SASI協(xié)議（（Strong Authentication and Strong Integrity，簡(jiǎn)稱SASI協(xié)議） ［5］使用簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算（與、異或和移位操作），取代了復(fù)雜的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的輕量級(jí);并在讀標(biāo)簽時(shí)更新假名IDS、K1和K2，從而使其前向和反向安全性得到提高，SASI協(xié)議是輕量級(jí)RFID認(rèn)證協(xié)議中安全性最高的一個(gè)，是輕量級(jí)認(rèn)證協(xié)議研究的一個(gè)里程碑。協(xié)議在初始化中， 規(guī)定Reader和Tag共享假名IDS和密鑰K1、K2。圖1描述了SASI協(xié)議的認(rèn)證過(guò)程。

根據(jù)A、B，計(jì)算n1，n2

SASI協(xié)議使用簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的輕量級(jí);并在讀標(biāo)簽時(shí)更新假名IDS和K1、K2，從而使其前向和反向安全性得到提高，SASI協(xié)議是輕量級(jí)RFID認(rèn)證協(xié)議中安全性最高的一個(gè)，是輕量級(jí)認(rèn)證協(xié)議研究的一個(gè)里程碑。

但實(shí)質(zhì)上對(duì)SASI協(xié)議，可以進(jìn)行拒絕服務(wù)攻擊，思路是針對(duì)其在讀標(biāo)簽時(shí)更新假名IDS和K1、K2，設(shè)法使閱讀器后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的當(dāng)前IDS與標(biāo)簽中的IDS不一致，使標(biāo)簽被攻擊后不再能被讀取。并且有相關(guān)研究表明，SASI協(xié)議也無(wú)法抵抗代數(shù)攻擊［6］。還有，通過(guò)簡(jiǎn)單重放，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)閱讀器進(jìn)行攻擊，使其無(wú)法正確閱讀移動(dòng)中的標(biāo)簽。

4 基于SASI的改進(jìn)的輕量級(jí)RFID雙向認(rèn)證協(xié)議

4.1 初始化

1）標(biāo)簽中存放KID和ID，每個(gè)標(biāo)簽都有屬于自己的唯一的KID和ID。

2）讀寫(xiě)器中存放（KID，ID）列表，該列表存放在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，因?yàn)樽x寫(xiě)器和后臺(tái)管理系統(tǒng)之間的通信是安全通路，對(duì)于兩者之間的通信，不再另外描述。

3）讀寫(xiě)器的偽隨機(jī)數(shù)生成能力強(qiáng)。

4）讀寫(xiě)器與所有標(biāo)簽有共享密鑰K，存放在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

5）Rot函數(shù)

Rot（x，y）：該函數(shù)是一個(gè)非線性函數(shù)，是指將的值循環(huán)左移（y mod N）位。在設(shè)計(jì)的輕量級(jí)RFID雙向認(rèn)證協(xié)議中，N的值為96。

6） MIXBITS函數(shù)

M1XBITS（x，y）：此函數(shù)也是一個(gè)非線性函數(shù)，采用右位移操作（》》），執(zhí)行的操作如下：

4.2 協(xié)議的具體流程

新設(shè)計(jì)的安全認(rèn)證協(xié)議的具體流程如圖2所示，其具體認(rèn)證過(guò)程如下：

1）首先在標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的通信范圍內(nèi)時(shí)，讀寫(xiě)器發(fā)送請(qǐng)求Query給標(biāo)簽。

2）標(biāo)簽收到Query后，隨即生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)Rt1，并將其發(fā)送給讀寫(xiě)器。 　　3）讀寫(xiě)器收到Rt1后，自身生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)Rr，計(jì)算n=MIXBITS（Rt1，Rr），然后用共享密鑰K計(jì)算A=Rot（K⊕n，K）和B=Rr⊕K，最后讀寫(xiě)器把數(shù)據(jù)A‖B發(fā)送給標(biāo)簽。

4）標(biāo)簽收到A‖B后，先自己計(jì)算Rr = B⊕K，n′=MIXBITS（Rt1，Rr），A′=Rot（K⊕n，K），若A′=A，則說(shuō)明標(biāo)簽完成了對(duì)讀寫(xiě)器的認(rèn)證，認(rèn)為它是合法的;若不相等，則認(rèn)為是非法讀寫(xiě)器，通信終止。

5）標(biāo)簽生成隨機(jī)數(shù)Rt2，然后計(jì)算C=KID⊕Rt2，D=Rot（Rt2，Rr⊕ID），并向讀寫(xiě)器發(fā)送C‖D。

6）讀寫(xiě)器將C‖D發(fā)送給后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

7）后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)查表（KID，ID），并計(jì)算Rt2′= C⊕KIDi，D′=Rot（Rt2′，Rr⊕ID），若存在（KIDi，IDi），滿足D′=D，則完成了標(biāo)簽的認(rèn)證，確定對(duì)方是合法標(biāo)簽;否則認(rèn)為是非法標(biāo)簽，會(huì)話終止。

5 協(xié)議的安全性分析

在RFID系統(tǒng)中，認(rèn)證協(xié)議的安全性是設(shè)計(jì)認(rèn)證協(xié)議時(shí)必須首要考慮的因素。下面將研究幾種常見(jiàn)的攻擊方式對(duì)新協(xié)議的安全性是否具有威脅。

1）標(biāo)簽對(duì)讀寫(xiě)器的認(rèn)證：協(xié)議使用隨機(jī)數(shù)Rr，和B=Rr⊕K完成對(duì)密鑰K的加密，并用A=Rot（K⊕MIXBITS（Rt1 ，Rr），K）完成對(duì)讀寫(xiě)器的認(rèn)證，認(rèn)證過(guò)程是安全可靠的。

2）讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽的認(rèn)證：在標(biāo)簽信息中采用了KID和ID。在標(biāo)簽向讀寫(xiě)器發(fā)送的信息中，KID和ID分別在不同的信息中，而且C與D并無(wú)直接關(guān)系，攻擊者在得不到（KID，ID）表情況下，是不可能掌握標(biāo)簽的ID信息。

3）防竊聽(tīng)攻擊：讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的通信信息都經(jīng)過(guò)了加密，而且各個(gè)信息之間的關(guān)聯(lián)性非常低，竊聽(tīng)者是無(wú)法根據(jù)標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的加密信息來(lái)獲取標(biāo)簽中的敏感信息的。

4）防假冒攻擊：在新的協(xié)議中，由于標(biāo)簽產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)Rt1每次都不相同，因此每次攻擊者偽裝成讀寫(xiě)器向標(biāo)簽發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，標(biāo)簽返回的信息都不相同，攻擊者無(wú)法確定這些響應(yīng)信息來(lái)自同一個(gè)標(biāo)簽，即無(wú)法對(duì)標(biāo)簽實(shí)施跟蹤。同樣的，每次通信的信息都是不相同的，攻擊者無(wú)法偽裝成合法讀寫(xiě)器讀取標(biāo)簽的敏感信息，該協(xié)議可以抵抗假冒攻擊。

5）防重傳攻擊：每次認(rèn)證過(guò)程中，標(biāo)簽和讀寫(xiě)器都分別產(chǎn)生新的隨機(jī)數(shù)密值，攻擊者即使截獲了某一次認(rèn)證過(guò)程中的信息，也是無(wú)法重放或偽造新一次認(rèn)證過(guò)程中的信息的。

6）防篡改攻擊：由于不知道認(rèn)證密鑰，而且該協(xié)議在通信過(guò)程中使用了MIXBITS和Rot函數(shù)對(duì)信息進(jìn)行加密，因此攻擊者是無(wú)法將原合法信息篡改成另一條信息的。篡改攻擊只能造成本次協(xié)議認(rèn)證過(guò)程失敗，標(biāo)簽進(jìn)入初始化狀態(tài)，而不會(huì)造成錯(cuò)誤認(rèn)證，該協(xié)議可以抵抗篡改攻擊。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)學(xué)者們的多年研究，RFID技術(shù)已取得了巨大的成就，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一。但是RFID系統(tǒng)還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，其主要原因是由于系統(tǒng)的安全性和硬件成本要求。該文主要是在研究前人成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)閱讀大量的文獻(xiàn)，針對(duì)現(xiàn)有RFID認(rèn)證協(xié)議存在的弊端，提出了一種改進(jìn)的輕量級(jí)的RFID雙向安全認(rèn)證協(xié)議。經(jīng)過(guò)分析證明，該協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)雙向認(rèn)證、能夠防止竊聽(tīng)、假冒、重傳和篡改等非法攻擊，并且簡(jiǎn)化了認(rèn)證過(guò)程和運(yùn)算的復(fù)雜度，能夠在低成本標(biāo)簽中實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)該認(rèn)證協(xié)議，在以后的工作中，會(huì)進(jìn)一步從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

1）采用計(jì)算量更小的算法，進(jìn)一步降低標(biāo)簽的成本。

2）實(shí)現(xiàn)并發(fā)安全。模擬實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器同時(shí)和多個(gè)標(biāo)簽運(yùn)行認(rèn)證協(xié)議，全面模擬現(xiàn)實(shí)RFID通信環(huán)境中的實(shí)際情形。

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