CN101739540A

CN101739540A - 一种标签读写器、射频标签的数据通信方法、系统

Info

Publication number: CN101739540A
Application number: CN 200810217868
Authority: CN
Inventors: 齐永珍; 钟金丝; 冯晓星; 王新安
Original assignee: Peking University Shenzhen Graduate School
Current assignee: Peking University Shenzhen Graduate School
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: CN101739540B

Abstract

本发明公开了一种标签读写器、射频标签的数据通信方法、系统，所述方法，包括如下步骤：标签读写器通过认证请求向射频标签获取其ID；标签读写器认证射频标签为合法标签后，根据自身的主密钥及所获取的ID计算出该射频标签的导出密钥；标签读写器与射频标签进行数据交互，其中，对敏感数据，交互的是经所述密钥加密的密文数据；对非敏感数据，为直接进行数据交互。所述系统包括设置在标签读写器上的ID获取模块、密钥计算模块和通信模块。本发明实现了标签读写器与射频标签之间的安全通信。

Description

一种标签读写器、射频标签的数据通信方法、系统

技术领域

本发明涉及射频识别系统，具体而言，涉及一种标签读写器、射频标签的数据通信方法、系统。

背景技术

RFID(射频识别)系统通常由标签读写器、射频标签和后台数据库组成，如图1所示，标签读写器通过接口模块与后台数据库进行通信；标签读写器和射频标签各自在控制器的作用下，通过发送模块和接收模块进行数据发送和接收，并通过天线进行双方的射频通信。

目前RFID技术在国内外发展迅速，品种繁多，越来越多的产家投入到射频识别领域。在RFID广泛应用的同时，由于其是基于无线射频技术的识别，是在开放的环境下进行数据交互，射频信息容易在射频信道被窃取；目前已出台的ISO18000、EPC C1G2等相关标准也缺乏可靠的加密、认证机制，存在或多或少的安全漏洞。RFID领域安全问题一直是一个挑战。

在标签读写器(Reader)和射频标签(Tag)之间，基于ISO18000-6C标准的一个典型通信流程如图2所示：

Reader首先向Tag发送Query命令(包含4bit参数Q)开始一轮通信周期；Tag内部的随机数产生器在0～2^(Q-1)之间产生随机数R，可以通过QueryAdjust、QueryRep命令调整R值，若R为0，则Tag由Ready状态跳转到Reply状态，返回16bit的随机数R1给Reader；Reader以相同的随机数R1为参数发送Ack命令回应Tag；Tag判断Reader发过来的随机数是否为之前Tag内部产生的随机数，若是，则Tag返回协议控制位(PC)、产品识别码(EPC)等给Reader，否则不返回任何数据；Reader再以相同的随机数R1为参数向Tag发送Req_RN命令，请求Tag返回一个新的随机数R2作为之后标签读写器访问Tag的句柄(handle)。

从图2中可以看出，现有技术中的标签读写器与射频标签之间的通信有以下缺陷：

1、Reader和Tag是在没有相互认证的情况下进行信号传输的，因而不能保证Reader和Tag的可靠性和合法性；

2、Reader和Tag之间信息的交互均以明文形式传输，PC、EPC等容易被攻击者窃取，从而标签可能会被追踪；

3、Reader和Tag之间的通信无法抵抗重传攻击。

发明内容

有鉴于上述背景，本发明提供了一种标签读写器、射频标签的数据通信方法、系统，可以实现标签读写器与射频标签之间的安全通信。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种基于射频标签的数据通信方法，包括如下步骤：

A、标签读写器通过认证请求向射频标签获取其ID；

B、标签读写器认证射频标签为合法标签后，根据自身的主密钥及所获取的ID，计算出该射频标签的导出密钥；

C、标签读写器与射频标签进行数据交互，其中，对敏感数据，交互的是经所述密钥加密的密文数据；对非敏感数据，为直接进行数据交互。

所述的数据通信方法，标签读写器与射频标签之间的交互的敏感数据为128位随机数。

所述的数据通信方法，所述密文数据采用AES算法加密。

所述的数据通信方法，还包括如下处理：标签读写器与射频标签在向对方发送所述密文数据之前，对密文数据进行扰码。

所述的数据通信方法，所述主密钥为不可读的128位数据。

所述的数据通信方法，标签读写器对射频标签的认证采用Hash认证机制，而射频标签对读写器的认证采用随机数认证。

本发明还公开了一种基于射频标签的数据通信系统，用于实现标签读写器和射频标签之间的数据通信，包括设置在标签读写器上的ID获取模块、密钥计算模块和通信模块；所述ID获取模块用于通过认证请求向射频标签获取其ID；所述密钥计算模块用于在认证射频标签为合法标签后，根据自身的主密钥及ID获取模块获取的所述ID，计算出该射频标签的导出密钥；所述通信模块用于与射频标签之间进行数据交互，其中，对敏感数据，交互的是经所述密钥加密的密文数据；对非敏感数据，为直接进行数据交互。

所述的数据通信系统，标签读写器与射频标签之间的交互的敏感数据为128位随机数。

所述的数据通信系统，还包括分别设置在标签读写器及射频标签上的扰码模块，用于在标签读写器和射频标签向对方发送所述密文数据之前，对密文数据进行扰码。

所述的数据通信系统，所述主密钥为不可读的128位数据。

本发明还公开了一种标签读写器，包括ID获取模块、密钥计算模块和通信模块，所述ID获取模块用于通过认证请求向射频标签获取其ID；所述密钥计算模块用于在认证射频标签为合法标签后，根据自身的主密钥及ID获取模块获取的所述ID计算出该射频标签的导出密钥；所述通信模块用于与射频标签之间进行数据交互，其中，对敏感数据，交互的是经所述密钥加密的密文数据；对非敏感数据，为直接进行数据交互。

所述的标签读写器，还包括扰码模块，用于在标签读写器向射频标签发送密文数据之前，对密文数据进行扰码。

所述的标签读写器，所述主密钥为不可读的128位数据。

本发明还公开了一种射频标签，包括密钥生成模块和通信模块，所述密钥生成模块用于根据射频标签的ID及主密钥生成导出密钥，所述通信模块用于与标签读写器之间进行数据交互，其中，对敏感数据，交互的是经所述密钥加密的密文数据；对非敏感数据，为直接进行数据交互。

所述的射频标签，所述密钥生成模块是专用集成电路实现的。

所述的射频标签，还包括扰码模块，用于在射频标签向标签读写器发送密文数据之前，对密文数据进行扰码。

所述的射频标签，所述主密钥为不可读的128位数据。

本发明通过认证请求获取射频标签的ID，可以首先确保读取的标签为标签读写器设定有阅读权限的合法标签，利用该ID配合标签读写器上的主密钥生成导出密钥，并使用生成的导出密钥对敏感数据进行加/解密，而对非敏感数据不进行加/解密，因而可以有效解决密钥分配和主密钥泄漏问题，提高标签读写器和射频标签的安全性。

进一步的，标签读写器与射频标签之间敏感数据的交互采用128位随机数，经过这样的处理，一次相互通信完毕后，下次通信时，敏感数据的交互使用的又是另一个随机数，让攻击者难以找到规律。在RFID系统中，由于标签读写器与射频标签之间交互的数据长度通常小于128位，而本发明将两者间的交互的敏感数据填充到128位，对于多余的位，通过随机数补全，而并非简单的补“1”或补“0”，因而可以进一步提高数据的安全性。

进一步的，对加密后的数据进行扰码处理，可提高数据的抗攻击性能。

主密钥为128位的数据，且不可被读出，从而有效保护主密钥的安全性。

标签读写器对射频标签的认证采用Hash认证机制，而射频标签对读写器的认证采用随机数认证。可有效保证两者之间的可靠性和合法性。

附图说明

图1是现有技术中的RFID系统结构图；

图2是现有技术中的标签读写器与射频标签之间的基于ISO18000-6C标准的一个典型通信流程图；

图3是本发明具体实施方式中，标签读写器与射频标签间具有安全保护功能的通信流程图；

图4是本发明具体实施方式中，标签读写器与射频标签的导出密钥生成示意图；

图5是本发明具体实施方式中，标签读写器与射频标签间的交互数据的128位AES加密示意图；

图6是本发明具体实施方式中，标签读写器与射频标签间的128位AES解密示意图；

图7是本发明具体实施方式中，对密文数据进行扰/解扰码的处理示意图；

图8是本发明具体实施方式中，射频标签的数据发送过程；

图9是本发明具体实施方式中，标签读写器的数据接收过程。

具体实施方式

下面对照附图并结合具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。

如图3所示，本发明为提高标签读写器(Reader)与射频标签(Tag)之间的数据通信安全性，采用对两者之间的交互数据进行加密的方式。从安全算法角度来说，传统的分组密码技术，因安全性能低难以满足RFID系统的安全需求；RSA/ECC等公钥算法虽然可以比较可靠的保证射频标签的安全，但受到射频标签的面积/成本和功耗的限制，这些算法并不适用，需要在安全强度和面积上做折中。AES(Advanced Encryption Standard)算法是美国国家标准技术协会(NIST)在2001年发布的对称分组密码算法，具有强免疫性、执行速度快、结构规律等优点，因而本发明选用其作为加密时应用的算法。和RSA/ECC等高级安全算法相比，AES虽然在安全强度上比它们低，但其硬件实现结构对称，面积可以做到更小，功耗也会更低(射频标签中面积和功耗都是很重要的因素)，而且也能基本满足安全要求。

在本发明具体实施方式中，每个射频标签内部具有唯一的射频识别号(ID)，长度为64位，根据128位AES输入长度的要求，将ID号扩展为128位：{ID[63:0]，ID[63:0]}。在加密时，以主密钥为基础，主密钥长度为128位，并设置为不可读出以保证主密钥的安全性。主密钥是标签生产时确定的一个128位随机数，对于属于同一个系统的标签，其主密钥是相同的，为防止在通信过程中主密钥可能被拦截破解，本发明具体实施方式中，加密数据全部是用导出密钥进行加密。由于不同的标签计算出来的导出密钥不同，所以攻击者即使能破解某个标签的导出密钥(最坏情况)，还是不知道主密钥，依然可以保证其它标签的安全。

每个标签根据扩展的ID和主密钥计算出导出密钥，工程上可以采用ASIC(专用集成电路)实现，当然，其实现方式并不限定于此。这样，每个标签都有自己专用的导出密钥，同时，通过导出密钥而隐藏主密钥，可以保护主密钥不在通信中被窃取。

由于不同标签具有不同的导出密钥，因而标签读写器与不同标签通信时需要使用不同的导出密钥，这要求标签读写器要知道待通信标签的ID号，标签读写器是通过认证请求的方式来获取不同标签的ID的，为保证认证的安全性，认证采用双向认证机制，即标签读写器对射频标签的认证采用Hash认证机制，而射频标签对读写器的认证采用随机数认证。

标签读写器对射频标签进行认证时，标签读写器首先通过发送QueryID命令并产生随机数K1(第一随机数)发送给射频标签进行认证请求，射频标签产生随机数R0(第二随机数)并连同Hash(K1，R0，ID)一起发送给标签读写器，标签读写器查询后台数据库(后台数据库保存了属于该系统的所有标签ID号)中的所有ID，通过散列(Hash)运算，验证是否有ID_i(即该射频标签的ID)满足Hash(K1，R0，ID_i)＝Hash(K1，R0，ID)，如果有，则说明该射频标签为有效标签，对标签的认证通过；标签读写器认证完射频标签后，发送Query、QueryAdjust、QueryRep命令开始一次盘存周期，射频标签返回随机数R1作为应答，标签读写器接收到随机数R1后，发送(Ack命令+经加密的128位随机数R)给射频标签，射频标签对加密数据解密后截取R的高16位与R1比较，若相等，则标签读写器为合法读写器。

由于散列(Hash)函数是单向的，所以标签的ID难以被攻击者窃取。这样，标签读写器一方面得到了标签的ID，从而可以调用AES加密模块算出导出密钥，另一方面也验证了标签的合法性，标签持有者也无法抵赖本次通信。另一方面，为了防止非法标签读写器“入侵”，标签对标签读写器进行随机数认证，因而互相保证了对方的合法性。

标签读写器与标签相互认证后，之后的数据交互过程与图2中描述的现有技术类似，不同是，图3中所描述的数据交互中，数据被分为敏感数据和非敏感数据，敏感数据一般为重要的数据信息，而非敏感数据则一般是诸如标签读写器发给射频标签的命令、射频标签返回给标签读写器的16位随机数一类的信令型数据。交互的敏感数据经所述导出密钥加密的密文数据，而对非敏感数据，直接进行数据交互。即射频标签每次接收完命令后，根据命令判断返回给标签读写器或从标签读写器接收的数据是否为敏感数据，从而决定是否启动AES加/解密；标签读写器也同样根据命令决定是否对发送给射频标签的数据进行加密或对射频标签返回的数据进行解密。

加密算法采用的是128位AES算法，AES加密、解密参见图5和图6。可以通过对AES加/解密模块设置使能信号，根据系统和应用的需要(敏感数据时工作，非敏感数据时不工作)，利用使能信号控制该模块是否工作；并通过模块复用、流水线机制、动态功耗管理尽可能降低加/解密模块的面积开销和功耗。如图5所示，AES加密模块，有一个加密使能信号enable1，根据系统和应用的需要可以控制该模块激活或休眠。AES加密模块主要包含5个组成部分：字节代换、行移位、列混淆、轮密钥加、密钥扩展。对于Sign1所指的包括字节代换、行移位、列混淆、轮密钥加的功能块，其具有块使能信号cs1，需要循环9轮，在工程的具体实现上，可以通过复用该块来节省面积；根据结构的规律性，可以使用流水线结构，每完成一轮操作，即将数据保存在128位的寄存器中，并激活下一轮的块使能信号，直至完成加密操作。AES解密如图6所示，其与加密原理相同，是加密的逆向操作，故此不再赘述。

导出密钥的产生，对于标签，根据其唯一的ID号和主密钥调用128位的AES加密模块，生成导出密钥；对于标签读写器，则在每次认证标签前向标签发送ID请求，通过查询后台数据库的所有ID和计算相应的hash()函数值，在获取标签ID后，如果确定在后台数据库中有该标签的ID，则读写器利用该标签的ID和主密钥计算出它们之间的导出密钥，从而可以确定不同标签的导出密钥。

数据混淆：对于AES加密模块，数据输入(明文)、密钥和数据输出长度都是128位，对不足128位的待加密敏感数据则使用128位的随机数填充，并使用该128位随机数混淆部分待加密数据。每次射频标签进入读写器场区范围时，读写器会通过电磁波给标签供电，即标签开始工作，读写器在认证完标签后会发送128位随机数给标签，之后读写器与标签之间交互的敏感数据都是用这128位随机数搅乱后的数据，直至掉电。当标签掉电后下次再进入读写器的场区范围时，读写器将产生另一个128位随机数发送给标签。

扰码/解扰码：对于加密后的数据(密文)，标签读写器和射频标签还对密文进行扰码，进一步提高系统抗攻击性能。如图7所示，扰码模块由移位寄存器和线性反馈单元异或门组成，起作用的是最高位，初始种子(R0-R6寄存器的值)为全“1”。从数据输入时开始工作，每输入1bit数据，扰码模块执行一次移位和异或操作，直至128bit数据全部扰码完毕。解扰码原理与扰码原理相同，为扰码的逆向操作过程，不再赘述。

总结标签读写器和标签之间的数据交互：标签读写器与射频标签之间交互的敏感数据经所述导出密钥加密的密文数据，标签读写器会向标签发送一个128位的随机数，前16位随机数与图2中R1功能相同，最后7位随机数(Rx)用于搅乱数据，使待发送数据循环左移0-2^(Rx-1)位，中间的105位随机数用于与待发送数据的中间105位进行异或运算，接收数据时只需做相反的操作即可解出数据。通过使用这些保护机制，攻击者即使度过各种难关，最后还是难以揣测出有效数据信息。而对非敏感数据，直接进行数据交互。

参见图8和图9，以标签发送敏感数据和读写器接收敏感数据为例，对本发明具体实施方式的数据交互做一说明。

如图8所示，图中显示了标签的数据发送过程。射频标签在出产时，每个射频标签根据其主密钥和唯一的ID复用AES加密模块生成导出密钥。射频标签使用导出密钥对待发送的敏感数据进行AES加密，生成128位的密文，之后对密文进行扰码处理返回给标签读写器。

如图9所示，图中显示了标签读写器的数据接收过程。标签读写器通过发送认证请求和查询后台数据库获取射频标签ID后，根据其主密钥和该射频标签的ID号，复用AES加密模块，计算出该标签的导出密钥。标签读写器先对接收的数据解扰码，之后复用AES解密模块，生成明文数据。

综上，本发明具体实施方式的标签读写器与标签之间的数据通信方法，其主要特点包括：

1、属于同一应用范围的标签读写器和射频标签具有相同的主密钥，主密钥的长度为128位，并且设置为不可被读出；

2、在生产过程中，不同标签具有不同的导出密钥，标签读写器与标签之间的通信信息采用导出密钥加密，每个标签根据其唯一的射频识别号(ID)和主密钥，使用AES加密模块生成导出密钥，并将此导出密钥作为发送数据/接收数据时加密/解密的密钥；

3、标签读写器在每次访问标签前向射频标签发送QueryID认证请求，利用射频标签返回的信息查询后台数据库是否有ID满足，若有满足的ID，则根据ID和主密钥计算出当前标签的导出密钥；标签读写器对射频标签使用Hash认证机制，而射频标签对标签读写器使用随机数认证。

4、根据命令决定标签读写器与射频标签交互的数据是否经AES加密后的数据。例如，如果标签读写器要向射频标签发送Ack命令，则后面的128位随机数R为敏感数据，将R发送给射频标签需要经过AES加密，标签读写器也会知道返回的数据为{PC，EPC}，为敏感数据，接收到射频标签返回的数据后，需要经AES解密。而对于射频标签而言，射频标签接收到Ack命令后，进行AES解密，返回给标签读写器的数据{PC+EPC}也需经AES加密。在图3中，E(x)表示对x进行了加密，Command+E(敏感数据)表示命令后面是对敏感数据加密后的数据，没有用E()的则表示没有经过加密。由于ISO18000协议标签读写器与射频标签交互的敏感数据长度一般小于128bit，如果对不足的位补“0”或补“1”再经过加密模块，势必会降低安全强度；通过标签读写器发送128bit的随机数给射频标签，每次加密数据前以该随机数的前16bit作为典型通信流程中的R1回应给射频标签，后112位随机数用于填充不足的位，并混淆部分数据，可以提高安全强度。

5、采用128bitAES加/解密算法，对敏感数据进行AES加/解密，而对非敏感数据不进行AES加密，利用使能信号控制AES加/解密模块是否工作；

6、对于加密后的数据(密文)，标签读写器和射频标签还对密文进行扰码处理。

本发明使标签读写器与射频标签在每次通信之前有可靠的认证机制，并且在传输过程中对敏感数据以密文形式传输，保护了射频标签的安全，可以应用于具有加密、认证需求的射频识别领域，大大提高产品的竞争力。使用本发明可以解决RFID系统中标签读写器与标签之间的安全问题，保护消费者的隐私或敏感数据，防止“黑客”窃取信息、伪造标签、进行重传攻击、对标签进行追踪等。

在RFID系统中，标签读写器与射频标签之间交互的数据长度通常小于128位，而AES加密算法要求输入的数据必须为128位。如果对不足位纯粹补“0”或“1”，安全性能大大降低；如果通信的数据为非敏感数据，如标签读写器向射频标签发送的命令、射频标签向标签读写器返回的16位随机数等，使用AES加密将浪费功耗和增加硬件处理时间。这些都限制了AES算法的应用。本发明通过控制AES加密使能信号，对敏感数据经随机数进行加密，而对非敏感数据直接进行数据交互，可以在实现标签读写器、射频标签安全通信的同时，使射频标签具有较低成本和功耗。具体的来说，加密时通过控制AES加密使能信号，对敏感数据经随机数进行加密，对非敏感数据不进行AES加密；解密时，通过控制AES解密使能信号，对敏感数据经随机数进行解密，而对非敏感数据不需进行AES解密。整个过程主要通过硬件而非软件进行实现(AES加密算法多用于软件加密)。

以上所述是对本发明实施方式的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于射频标签的数据通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、标签读写器通过认证请求向射频标签获取其ID；

2.如权利要求1所述的数据通信方法，其特征在于，标签读写器与射频标签之间的交互的敏感数据为128位随机数。

3.如权利要求1所述的数据通信方法，其特征在于，所述密文数据采用AES算法加密。

4.如权利要求1所述的数据通信方法，其特征在于，还包括如下处理：标签读写器与射频标签在向对方发送所述密文数据之前，对密文数据进行扰码。

5.如权利要求1所述的数据通信方法，其特征在于，所述主密钥为不可读的128位数据。

6.如权利要求1至5任一项所述的数据通信方法，其特征在于，标签读写器对射频标签的认证采用Hash认证机制，而射频标签对读写器的认证采用随机数认证。

7.一种基于射频标签的数据通信系统，用于实现标签读写器和射频标签之间的数据通信，其特征在于，包括设置在标签读写器上的ID获取模块、密钥计算模块和通信模块；所述ID获取模块用于通过认证请求向射频标签获取其ID；所述密钥计算模块用于在认证射频标签为合法标签后，根据自身的主密钥及ID获取模块获取的所述ID，计算出该射频标签的导出密钥；所述通信模块用于与射频标签之间进行数据交互，其中，对敏感数据，交互的是经所述密钥加密的密文数据；对非敏感数据，为直接进行数据交互。

8.如权利要求7所述的数据通信系统，其特征在于，标签读写器与射频标签之间的交互的敏感数据为128位随机数。

9.如权利要求7所述的数据通信系统，其特征在于，还包括分别设置在标签读写器及射频标签上的扰码模块，用于在标签读写器和射频标签向对方发送所述密文数据之前，对密文数据进行扰码。

10.如权利要求7所述的数据通信系统，其特征在于，所述主密钥为不可读的128位数据。

11.一种标签读写器，其特征在于，包括ID获取模块、密钥计算模块和通信模块，所述ID获取模块用于通过认证请求向射频标签获取其ID；所述密钥计算模块用于在认证射频标签为合法标签后，根据自身的主密钥及ID获取模块获取的所述ID计算出该射频标签的导出密钥；所述通信模块用于与射频标签之间进行数据交互，其中，对敏感数据，交互的是经所述密钥加密的密文数据；对非敏感数据，为直接进行数据交互。

12.如权利要求11所述的标签读写器，其特征在于，还包括扰码模块，用于在标签读写器向射频标签发送密文数据之前，对密文数据进行扰码。

13.如权利要求11所述的标签读写器，其特征在于，所述主密钥为不可读的128位数据。

14.一种射频标签，其特征在于，包括密钥生成模块和通信模块，所述密钥生成模块用于根据射频标签的ID及主密钥生成导出密钥，所述通信模块用于与标签读写器之间进行数据交互，其中，对敏感数据，交互的是经所述密钥加密的密文数据；对非敏感数据，为直接进行数据交互。

15.如权利要求14所述的射频标签，其特征在于，所述密钥生成模块是专用集成电路实现的。

16.如权利要求14所述的射频标签，其特征在于，还包括扰码模块，用于在射频标签向标签读写器发送密文数据之前，对密文数据进行扰码。

17.如权利要求14所述的射频标签，其特征在于，所述主密钥为不可读的128位数据。