1 概述

RFID作為一種新型的自動識別技術(shù)，可以同時對多個物體進行識別，識別過程使用無線射頻，不需要激光或外部材料透明，因此可以透過外部材料對物體進行識別［1］。RFID具有無需直接與被識別物體進行接觸和人工干預(yù)、數(shù)據(jù)存儲量大、操作簡單方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于停車場管理系統(tǒng)、汽車或火車等的交通監(jiān)控系統(tǒng)、高速公路自動收費系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)、安全出入檢測、流水線生產(chǎn)自動化、動物管理、倉庫存儲管理、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，因為其具有的強大標(biāo)簽追蹤能力，用戶的信息隱私問題及信息交互時的數(shù)據(jù)認(rèn)證問題成為了系統(tǒng)主要的安全問題［2］。所謂信息隱私問題是指閱讀器不用通過安全認(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)證問題指的是讀寫器在讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)時，不需要通過認(rèn)證，從而造成標(biāo)簽數(shù)據(jù)被復(fù)制或篡改等安全問題［3］。

2 RFID系統(tǒng)的安全需求分析

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

1）訪問授權(quán)：即標(biāo)簽對讀寫器進行認(rèn)證。

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

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

4）前向安全性：即使攻擊者攻破某個標(biāo)簽獲得了它當(dāng)前時刻t2的狀態(tài)，該攻擊者也無法將該狀態(tài)與之前任意時刻tl（tl　　5）后向（反向）安全性與標(biāo)簽所有權(quán)轉(zhuǎn)移：標(biāo)簽在時刻tl的秘密信息不足以用來在時刻t2（t2》t1）識別認(rèn)證該標(biāo)簽（抵抗重放攻擊）。若一個安全協(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)簽與讀寫器的密鑰、假名變化不同步，導(dǎo)致讀寫器不能讀標(biāo)簽。也可以Kill標(biāo)簽，使標(biāo)簽實效。還可以通過對合法標(biāo)簽廣播大量的訪問請求，使得標(biāo)簽無法對合法讀寫器的訪問進行響應(yīng)，或者反過來對讀寫器廣播大量標(biāo)簽信息。

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

3 SASI協(xié)議

SASI協(xié)議（（Strong Authentication and Strong Integrity，簡稱SASI協(xié)議） ［5］使用簡單的邏輯運算（與、異或和移位操作），取代了復(fù)雜的運算，實現(xiàn)了系統(tǒng)的輕量級;并在讀標(biāo)簽時更新假名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RFID認(rèn)證協(xié)議中安全性最高的一個，是輕量級認(rèn)證協(xié)議研究的一個里程碑。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)證過程。

根據(jù)A、B，計算n1，n2

SASI協(xié)議使用簡單的邏輯運算，實現(xiàn)了系統(tǒng)的輕量級;并在讀標(biāo)簽時更新假名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RFID認(rèn)證協(xié)議中安全性最高的一個，是輕量級認(rèn)證協(xié)議研究的一個里程碑。

但實質(zhì)上對SASI協(xié)議，可以進行拒絕服務(wù)攻擊，思路是針對其在讀標(biāo)簽時更新假名IDS和K1、K2，設(shè)法使閱讀器后臺數(shù)據(jù)庫中的當(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)議也無法抵抗代數(shù)攻擊［6］。還有，通過簡單重放，也能實現(xiàn)對閱讀器進行攻擊，使其無法正確閱讀移動中的標(biāo)簽。

4 基于SASI的改進的輕量級RFID雙向認(rèn)證協(xié)議

4.1 初始化

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

2）讀寫器中存放（KID，ID）列表，該列表存放在后臺數(shù)據(jù)庫中，因為讀寫器和后臺管理系統(tǒng)之間的通信是安全通路，對于兩者之間的通信，不再另外描述。

3）讀寫器的偽隨機數(shù)生成能力強。

4）讀寫器與所有標(biāo)簽有共享密鑰K，存放在后臺數(shù)據(jù)庫中。

5）Rot函數(shù)

Rot（x，y）：該函數(shù)是一個非線性函數(shù)，是指將的值循環(huán)左移（y mod N）位。在設(shè)計的輕量級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)證過程如下：

1）首先在標(biāo)簽進入讀寫器的通信范圍內(nèi)時，讀寫器發(fā)送請求Query給標(biāo)簽。

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

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

5）標(biāo)簽生成隨機數(shù)Rt2，然后計算C=KID⊕Rt2，D=Rot（Rt2，Rr⊕ID），并向讀寫器發(fā)送C‖D。

6）讀寫器將C‖D發(fā)送給后臺數(shù)據(jù)庫。

7）后臺數(shù)據(jù)庫查表（KID，ID），并計算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，確定對方是合法標(biāo)簽;否則認(rèn)為是非法標(biāo)簽，會話終止。

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)計認(rèn)證協(xié)議時必須首要考慮的因素。下面將研究幾種常見的攻擊方式對新協(xié)議的安全性是否具有威脅。

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

2）讀寫器對標(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）防竊聽攻擊：讀寫器和標(biāo)簽之間的通信信息都經(jīng)過了加密，而且各個信息之間的關(guān)聯(lián)性非常低，竊聽者是無法根據(jù)標(biāo)簽和讀寫器之間的加密信息來獲取標(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)生的隨機數(shù)Rt1每次都不相同，因此每次攻擊者偽裝成讀寫器向標(biāo)簽發(fā)送請求時，標(biāo)簽返回的信息都不相同，攻擊者無法確定這些響應(yīng)信息來自同一個標(biāo)簽，即無法對標(biāo)簽實施跟蹤。同樣的，每次通信的信息都是不相同的，攻擊者無法偽裝成合法讀寫器讀取標(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)證過程中，標(biāo)簽和讀寫器都分別產(chǎn)生新的隨機數(shù)密值，攻擊者即使截獲了某一次認(rèn)證過程中的信息，也是無法重放或偽造新一次認(rèn)證過程中的信息的。

6）防篡改攻擊：由于不知道認(rèn)證密鑰，而且該協(xié)議在通信過程中使用了MIXBITS和Rot函數(shù)對信息進行加密，因此攻擊者是無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)證過程失敗，標(biāo)簽進入初始化狀態(tài)，而不會造成錯誤認(rèn)證，該協(xié)議可以抵抗篡改攻擊。

6 結(jié)束語

經(jīng)過學(xué)者們的多年研究，RFID技術(shù)已取得了巨大的成就，此項技術(shù)的應(yīng)用已成為當(dāng)今的研究熱點之一。但是RFID系統(tǒng)還沒有得到廣泛應(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，通過閱讀大量的文獻，針對現(xiàn)有RFID認(rèn)證協(xié)議存在的弊端，提出了一種改進的輕量級的RFID雙向安全認(rèn)證協(xié)議。經(jīng)過分析證明，該協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)雙向認(rèn)證、能夠防止竊聽、假冒、重傳和篡改等非法攻擊，并且簡化了認(rèn)證過程和運算的復(fù)雜度，能夠在低成本標(biāo)簽中實現(xiàn)。

針對該認(rèn)證協(xié)議，在以后的工作中，會進一步從以下幾個方面進行改進：

1）采用計算量更小的算法，進一步降低標(biāo)簽的成本。

2）實現(xiàn)并發(fā)安全。模擬實現(xiàn)讀寫器同時和多個標(biāo)簽運行認(rèn)證協(xié)議，全面模擬現(xiàn)實RFID通信環(huán)境中的實際情形。

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