趙太飛，鄒波，尹航

　　（西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

       摘要：為了提高大規(guī)模RFID系統(tǒng)的認(rèn)證效率，通過(guò)分析現(xiàn)有RFID系統(tǒng)的認(rèn)證效率和安全性，提出了一套基于Hash函數(shù)的改進(jìn)協(xié)議。向RFID讀寫(xiě)器加入過(guò)濾規(guī)則，能夠有效過(guò)濾惡意和無(wú)效的認(rèn)證請(qǐng)求；對(duì)標(biāo)簽的訪問(wèn)計(jì)數(shù)器值的分層化、更新和重置，可以有效提高后端數(shù)據(jù)庫(kù)檢索數(shù)據(jù)的命中率。通過(guò)分析和測(cè)試，該協(xié)議能夠有效抵御假冒攻擊、重傳攻擊等不安全問(wèn)題，有效提高RFID認(rèn)證的效率，降低認(rèn)證服務(wù)器計(jì)算負(fù)荷。

　　關(guān)鍵詞：RFID；認(rèn)證協(xié)議；訪問(wèn)計(jì)數(shù)器；Hash；讀寫(xiě)器

0引言

　　射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID系統(tǒng)通過(guò)射頻信號(hào)來(lái)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，可工作在各種惡劣的環(huán)境下，且使裝備該標(biāo)簽的設(shè)備變得智能，可以實(shí)現(xiàn)與信息系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交流。RFID技術(shù)的應(yīng)用遍及各個(gè)領(lǐng)域，例如商品溯源、移動(dòng)支付、供應(yīng)鏈溯源、門(mén)禁系統(tǒng)等。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展和RFID的大規(guī)模使用，如何在保證RFID系統(tǒng)安全性的前提下，提高RFID系統(tǒng)的認(rèn)證效率，成為影響RFID大規(guī)模推廣應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)。

1相關(guān)研究

　　近年來(lái)，RFID安全問(wèn)題成為研究熱點(diǎn)之一，由于RFID標(biāo)簽自身資源的限制，在設(shè)計(jì)RFID標(biāo)簽認(rèn)證協(xié)議時(shí)，除了考慮安全性，還要考慮標(biāo)簽自身存儲(chǔ)空間和運(yùn)算能力限制的問(wèn)題。

　　為了提高RFID安全性，目前一般采用兩種手段：物理方式和密碼學(xué)方式。物理方式需要額外的設(shè)備支持，增加了成本，同時(shí)使用會(huì)造成一定的不便，所以密碼學(xué)是提高RFID安全性的主流方式。

　　近年來(lái)密碼學(xué)中有眾多的加密技術(shù)，主要包括AES、DES、基于Hash函數(shù)的加密算法等。AES、DES等加密方式因資源消耗大，受RFID標(biāo)簽自身資源的限制，較少被使用，而基于Hash函數(shù)的安全機(jī)制資源消耗相對(duì)較低，因此基于Hash函數(shù)的認(rèn)證協(xié)議受到越來(lái)越多的關(guān)注。NTT實(shí)驗(yàn)室提出了Hash鏈方法［1］，它是一種采用共享秘密的詢問(wèn)—應(yīng)答協(xié)議，具有不可分辨性和前向安全性，但該協(xié)議只能進(jìn)行單向認(rèn)證，安全性上存在一定缺陷，后臺(tái)數(shù)據(jù)檢索計(jì)算量大；袁署光［2］等人提出一種基于Hash函數(shù)的認(rèn)證協(xié)議，其利用對(duì)稱秘鑰方式，能夠抵御重傳攻擊、假冒攻擊等，但該協(xié)議服務(wù)器運(yùn)算量巨大，數(shù)據(jù)庫(kù)檢索命中率低；劉明生［3］等人提了的基于Hash函數(shù)的RFID安全認(rèn)證協(xié)議，協(xié)議中傳遞標(biāo)簽ID的Hash值為靜態(tài)的，能有效降低后端數(shù)據(jù)庫(kù)檢索數(shù)據(jù)的計(jì)算量，但不能提高檢索的命中率，并且存在被跟蹤的風(fēng)險(xiǎn)。

2安全問(wèn)題分析

　　RFID系統(tǒng)面臨的安全問(wèn)題［4］主要包括：(1)假冒攻擊(spoofing attack)，通過(guò)使用假冒讀寫(xiě)器來(lái)記錄標(biāo)簽的響應(yīng)，再用該響應(yīng)去響應(yīng)合法的讀寫(xiě)器，讓合法的讀寫(xiě)器認(rèn)為該標(biāo)簽還存在，通過(guò)RFID的認(rèn)證，事實(shí)上該標(biāo)簽已經(jīng)離去；(2)重傳攻擊(replay attack)，是通過(guò)截取標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間通信的有效信號(hào)，再在RFID系統(tǒng)中進(jìn)行重傳而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的一種攻擊；(3)去同步化(desynchronization)，指通過(guò)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行惡意認(rèn)證或者攻擊，導(dǎo)致后端數(shù)據(jù)與標(biāo)簽中存儲(chǔ)的信息不一致，進(jìn)而導(dǎo)致標(biāo)簽無(wú)法認(rèn)證的一種攻擊。

3認(rèn)證方案

　　參考文獻(xiàn)［5］通過(guò)標(biāo)簽訪問(wèn)計(jì)數(shù)器值的自更新特性與密值，結(jié)合Hash函數(shù)進(jìn)行RFID認(rèn)證，雖然能夠抵抗標(biāo)簽偽裝等攻擊，但是該協(xié)議標(biāo)簽數(shù)量較大，若干標(biāo)簽存在惡意認(rèn)證時(shí)，根據(jù)k值來(lái)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)中標(biāo)簽記錄，將導(dǎo)致檢索范圍過(guò)大，標(biāo)簽記錄命中率降低，而數(shù)據(jù)庫(kù)的每次數(shù)據(jù)比對(duì)都會(huì)進(jìn)行一定量的Hash計(jì)算，這會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源來(lái)進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而導(dǎo)致這個(gè)RFID系統(tǒng)效率低下。

　　針對(duì)參考文獻(xiàn)［5］協(xié)議做如下改進(jìn)：對(duì)k值進(jìn)行分層化處理，可以有效提高數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)簽記錄檢索的命中率；認(rèn)證請(qǐng)求中使用RFID讀寫(xiě)器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，將標(biāo)簽響應(yīng)中推算出的隨機(jī)數(shù)與該隨機(jī)數(shù)進(jìn)行比較，過(guò)濾無(wú)效的認(rèn)證會(huì)話；RFID讀寫(xiě)器保存上一次認(rèn)證會(huì)話中接收的標(biāo)簽響應(yīng)，RFID讀寫(xiě)器接收到的標(biāo)簽響應(yīng)與上次會(huì)話中使用的標(biāo)簽響應(yīng)進(jìn)行比較，如果相同就過(guò)濾該認(rèn)證會(huì)話（標(biāo)簽在每次認(rèn)證會(huì)話中會(huì)更新認(rèn)證響應(yīng)），提高認(rèn)證請(qǐng)求的有效性，減少服務(wù)器的運(yùn)行壓力。有關(guān)協(xié)議中的參數(shù)如表1所示。

　　預(yù)備：對(duì)每個(gè)標(biāo)簽的k值的范圍進(jìn)行分層化處理，例如0~999,1 000~9 999，將k置為所在分層的最小值。當(dāng)k為所在分層區(qū)間k的最大值時(shí)，k+1將重置k的值為該分層區(qū)間的最小值，同時(shí)置f的值為“1”，每個(gè)標(biāo)簽配置一個(gè)初始密值S，為RFID系統(tǒng)篩選兩個(gè)碰撞和復(fù)雜度都較低的Hash函數(shù)，將標(biāo)簽k、ID、S存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　步驟（1）：RFID讀寫(xiě)器產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)rR，向標(biāo)簽發(fā)送Query、rR認(rèn)證請(qǐng)求。

　　步驟(2)：標(biāo)簽接收到RFID讀寫(xiě)器發(fā)送的認(rèn)證請(qǐng)求后，將k值與隨機(jī)數(shù)rR相加得到rk，然后標(biāo)簽讀取存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，計(jì)算G(IDrk),G(S),然后向RFID讀寫(xiě)器發(fā)送k、rk、G(IDrk)、G(S)以及標(biāo)志位f；同時(shí)更新S=H(S)，更新k=k+1，當(dāng)k為所在分層的最大值時(shí)，k+1將重置k的值為該分層的最小值，同時(shí)置f的值為“1”，否則f值不更新。

　　步驟(3)：RFID讀寫(xiě)器接收到來(lái)自標(biāo)簽的信息后，先通過(guò)rk和k計(jì)算出隨機(jī)數(shù)rR′，比較該rR′是否與剛發(fā)出的rR一致，如果不一致，則該數(shù)據(jù)為無(wú)效數(shù)據(jù)，直接丟棄；如果一致則進(jìn)一步判斷G(IDrk)和G(S)。比較與該閱讀器上次認(rèn)證時(shí)保留的G(ID′rk′)和G(S′)是否一致，如果一致則為無(wú)效數(shù)據(jù)，直接丟棄；如果不一致，則將數(shù)據(jù)k、rk、G(IDrk)、G(S)以及標(biāo)志位f發(fā)送到后端數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　步驟(4)：后端服務(wù)器接收到RFID讀寫(xiě)器傳遞的數(shù)據(jù)后，先判斷k值的范圍區(qū)間，確定該標(biāo)簽在哪個(gè)分層，然后判斷f值是否為“1”，如果是轉(zhuǎn)入①，否則轉(zhuǎn)入②。

　?、僭跀?shù)據(jù)庫(kù)中找到該分層的所有標(biāo)簽數(shù)據(jù)記錄，檢查該記錄中是否還有沒(méi)有對(duì)比的記錄，如果有轉(zhuǎn)入③；否則，標(biāo)簽不合法，停止認(rèn)證。

　　②在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到該分層的標(biāo)簽數(shù)據(jù)記錄，在此記錄中檢查是否還有符合k″≤k沒(méi)有對(duì)比的記錄，如果有轉(zhuǎn)入④；否則，標(biāo)簽不合法，停止認(rèn)證。

　　③讀取一條還沒(méi)有對(duì)比的標(biāo)簽數(shù)據(jù)記錄的ID″，計(jì)算G(ID″rk)，再與G(IDrk)比較，如果相等，則轉(zhuǎn)入⑤，否則轉(zhuǎn)入①。

　?、茏x取一條k″≤k且還沒(méi)有對(duì)比的標(biāo)簽數(shù)據(jù)記錄的ID″，計(jì)算G(ID″rk)，再與G(IDrk)比較，如果相等，則轉(zhuǎn)入⑥，否則轉(zhuǎn)入②。

　?、荼容^k與k″的大小，如果k與k″相等則取d=0，否則取d=k+l-k″；然后比較G(Hd(S″))與G(S)，如果相等，則轉(zhuǎn)入⑦，否則轉(zhuǎn)入①。

　?、抻?jì)算d=k-k″，然后比較G(Hd(S″))與G(S)，如果相等，則轉(zhuǎn)入⑦，否則轉(zhuǎn)入②。

　　⑦后端數(shù)據(jù)庫(kù)更新當(dāng)前標(biāo)簽記錄的訪問(wèn)計(jì)數(shù)器k″=k+1和密值S″=Hd+1(S″)，如果k為該區(qū)間的最大值，則k″置為該區(qū)間的最小值，然后計(jì)算G(ID″S″)發(fā)送給標(biāo)簽。

　　步驟（5）：閱讀器將后端服務(wù)器發(fā)送來(lái)的G(ID″S(k″))轉(zhuǎn)發(fā)給標(biāo)簽。

　　步驟（6）：標(biāo)簽從存儲(chǔ)器中獲取ID與密值S，計(jì)算G(IDS)與G(ID″S″)是否相等，如果相等則認(rèn)證成功，同時(shí)將標(biāo)志位f置為“0”，否則認(rèn)證失敗。

　　協(xié)議認(rèn)證過(guò)程如圖1所示。

4協(xié)議安全性分析

　　RFID系統(tǒng)面臨的主要安全問(wèn)題［6］有：假冒攻擊、重傳攻擊、追蹤、去同步化。這里定義讀寫(xiě)器向標(biāo)簽傳遞信息的無(wú)線信道為前向信道，標(biāo)簽向讀寫(xiě)器傳遞信息的無(wú)線信道為后向信道［7］，對(duì)協(xié)議進(jìn)行安全性分析。

　　4.1假冒攻擊

　　攻擊者使用偽裝的讀寫(xiě)器通過(guò)前向信道向標(biāo)簽發(fā)送Query和rR認(rèn)證請(qǐng)求，獲取到標(biāo)簽的響應(yīng)k、rR、f、G(IDrk)、G(S)；再在下一次與合法讀寫(xiě)器進(jìn)行認(rèn)證時(shí)，讀寫(xiě)器發(fā)送Query和rR認(rèn)證請(qǐng)求，攻擊者通過(guò)后向信道使用上次截獲的k、rk、f、G(IDrk)、G(S)來(lái)響應(yīng)讀寫(xiě)器，然而由于讀寫(xiě)器每次發(fā)送的rR都是一個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，所以前后兩次的隨機(jī)數(shù)rR和rk-k不一致，無(wú)法進(jìn)行假冒攻擊。

　　4.2重傳攻擊

　　在讀寫(xiě)器向標(biāo)簽發(fā)送Query和rR認(rèn)證請(qǐng)求之后，攻擊者獲取到k、rk、f、G(IDrk)、G(S)；在以后的認(rèn)證會(huì)話中，攻擊者通過(guò)后向信道響應(yīng)k、rk、f、G(IDrk)、G(S)，從而發(fā)動(dòng)重傳攻擊；在讀寫(xiě)器接收到k、rk、f、G(IDrk)、G(S)過(guò)后，進(jìn)行一次過(guò)濾處理，與上一次接收到的G(ID″rk′)、G(S′)進(jìn)行比較，看數(shù)據(jù)內(nèi)容是否相同，如果相同，則直接丟棄該數(shù)據(jù)，然后再判決rk-k和rR的值是否一致，因?yàn)榍昂髢纱握J(rèn)證過(guò)程中讀寫(xiě)器生成的rR不同，由此可見(jiàn)該協(xié)議對(duì)重傳攻擊具有安全性。

　　4.3追蹤

　　攻擊者使用偽裝的讀寫(xiě)器向標(biāo)簽發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求，獲取到標(biāo)簽的響應(yīng)k、rk、f、G(IDrk)、G(S)，然后通過(guò)該響應(yīng)來(lái)追蹤該標(biāo)簽；由于每次發(fā)起認(rèn)證請(qǐng)求時(shí)，讀寫(xiě)器都會(huì)重新產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)用于認(rèn)證，并且標(biāo)簽自生的k、S(k)也是不斷變化的，所以rk也會(huì)不斷變化，f值只能是“0”或“1”無(wú)法實(shí)現(xiàn)追蹤，因此該標(biāo)簽的響應(yīng)是不斷變化的，所以該協(xié)議能夠很好地抵制追蹤攻擊。

　　4.4去同步化

　　認(rèn)證過(guò)程中，因?yàn)椴捎玫氖菬o(wú)線信道，故有可能造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G失，或人為對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行惡意攻擊，然后導(dǎo)致標(biāo)簽的數(shù)據(jù)與后端數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)不一致，使標(biāo)簽無(wú)效化，無(wú)法完成認(rèn)證操作。后端數(shù)據(jù)庫(kù)可以根據(jù)k值和f值來(lái)確保標(biāo)簽密值的成功匹配，每次成功認(rèn)證過(guò)后，后端數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)根據(jù)標(biāo)簽傳來(lái)的信息，更新后端數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)。

5協(xié)議效率分析

　　本協(xié)議對(duì)Hash鏈的RFID安全雙向認(rèn)證協(xié)議［5］做了改進(jìn)，進(jìn)一步提高了后端數(shù)據(jù)庫(kù)檢索的效率，讀寫(xiě)器端增加過(guò)濾功能，能夠有效地?cái)r截惡意的認(rèn)證請(qǐng)求，很好地減少服務(wù)器資源的浪費(fèi)。

　　通過(guò)k值的分層化處理可以有效地縮小數(shù)據(jù)檢索的范圍，快速定位到需要檢索的k值的數(shù)值范圍，從而確定待檢索的數(shù)據(jù)記錄所在的k值分層；再根據(jù)k值進(jìn)一步縮小檢索數(shù)據(jù)記錄的范圍，因?yàn)樵趂為“0”時(shí)，被檢索記錄的k″必須滿足k″≤k。

　　標(biāo)志位“f”的作用主要是為了處理k值在完成多次認(rèn)證過(guò)后導(dǎo)致k值越界，導(dǎo)致標(biāo)簽去同步化，無(wú)法進(jìn)行認(rèn)證。

　　在認(rèn)證會(huì)話中，讀寫(xiě)器不是將標(biāo)簽響應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳遞，讓服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理；而是對(duì)標(biāo)簽響應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了一個(gè)數(shù)據(jù)過(guò)濾，能夠有效地過(guò)濾無(wú)效認(rèn)證會(huì)話和惡意認(rèn)證，降低服務(wù)器的運(yùn)行負(fù)荷，避免不必要的服務(wù)器資源浪費(fèi)。

6性能分析

　　本文使用MATLAB對(duì)文獻(xiàn)［5］提出的基于Hash鏈的RFID安全雙向認(rèn)證協(xié)議與本文改進(jìn)的協(xié)議進(jìn)行了仿真測(cè)試，對(duì)比了后端服務(wù)器在比較次數(shù)、哈希運(yùn)算次數(shù)的差別。本文提出的改進(jìn)協(xié)議細(xì)節(jié)上與文獻(xiàn)［5］有些不同,有的特性未在測(cè)試數(shù)據(jù)上很好地體現(xiàn)出來(lái)，例如標(biāo)簽閱讀器的過(guò)濾功能，可以過(guò)濾一部分無(wú)效的認(rèn)證請(qǐng)求，降低后端服務(wù)器的運(yùn)行負(fù)荷。

　　將參考文獻(xiàn)［5］測(cè)試組命名為A組，本文改進(jìn)協(xié)議分成3組進(jìn)行測(cè)試，分別命名為B組、C組和D組。測(cè)試中先去除標(biāo)簽閱讀器的過(guò)濾功能。假定A組中一共有2 000個(gè)標(biāo)簽，后端服務(wù)器也有2 000條對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并且每個(gè)標(biāo)簽和服務(wù)器之間已發(fā)生不超過(guò)50次的隨機(jī)訪問(wèn)會(huì)話，同時(shí)標(biāo)簽數(shù)據(jù)與后端服務(wù)器同步，再隨機(jī)抽取200個(gè)標(biāo)簽發(fā)生隨機(jī)次數(shù)(不超過(guò)20次)的惡意訪問(wèn)，造成標(biāo)簽數(shù)據(jù)與后端數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的不同步，然后隨機(jī)發(fā)起2 000 000次的訪問(wèn)會(huì)話。B組分為a1、b1分層，C組分為a2、b2、c2分層，D組分為a3、b3、c3、d3分層，每個(gè)分層的標(biāo)簽數(shù)、k值范圍以及發(fā)生隨機(jī)惡意訪問(wèn)(不超過(guò)20次)的標(biāo)簽數(shù)具體信息如圖2所示。首先每個(gè)分層的每個(gè)標(biāo)簽與服務(wù)器之間發(fā)生不超過(guò)50次的隨機(jī)訪問(wèn)會(huì)話，同時(shí)標(biāo)簽數(shù)據(jù)與后端服務(wù)器是同步的，再隨機(jī)抽取表2中所述的標(biāo)簽個(gè)數(shù)發(fā)生隨機(jī)次數(shù)(不超過(guò)20次)的惡意訪問(wèn)，造成標(biāo)簽數(shù)據(jù)與后端數(shù)據(jù)庫(kù)的不同步，最后以組為單位，每組隨機(jī)發(fā)起2 000 000次的訪問(wèn)會(huì)話，統(tǒng)計(jì)以上A、B、C、D四組數(shù)據(jù)可以得到表3測(cè)試數(shù)據(jù)。

　　本文協(xié)議對(duì)標(biāo)簽k進(jìn)行分層處理后，分為多個(gè)組，根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果可以得出，相比參考文獻(xiàn)［5］，本文協(xié)議能有效地減少后端服務(wù)器的運(yùn)算次數(shù)，其次k值分層處理的分層數(shù)越多，后端服務(wù)器的運(yùn)算次數(shù)越少。

7結(jié)束語(yǔ)

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，RFID系統(tǒng)被廣泛使用，但RFID安全問(wèn)題和認(rèn)證效率問(wèn)題成為制約RFID系統(tǒng)廣泛使用的關(guān)鍵。由于RFID標(biāo)簽自身的局限性，采用密碼學(xué)的RFID安全認(rèn)證協(xié)議成為提高認(rèn)證效率和解決RFID安全性問(wèn)題的重要方法。本文提出了一種基于Hash鏈的改進(jìn)協(xié)議，能有效地抵抗假冒攻擊、重傳攻擊、追蹤和去同步化，利用訪問(wèn)計(jì)數(shù)器值的分層特性及自更新和重置特點(diǎn)，提高了數(shù)據(jù)庫(kù)中標(biāo)簽數(shù)據(jù)的命中率，通過(guò)標(biāo)簽閱讀器的過(guò)濾功能，有效地過(guò)濾無(wú)效的認(rèn)證請(qǐng)求，從而降低了RFID認(rèn)證時(shí)后臺(tái)服務(wù)器的資源消耗，有效提高系統(tǒng)的認(rèn)證效率。

　　參考文獻(xiàn)

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