CN102034123A - 一种基于标签id随机划分的rfid三重安全认证方法 - Google Patents

一种基于标签id随机划分的rfid三重安全认证方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证方法。本方法引入动态更新机制将标签ID随机划分为左、右两个部分标识符用于通信链路的数据传输，利用三重认证模式实现对标签和读写器身份合法性的两次验证。同时，针对RFID系统前向空中接口和后向通信链路的特殊性和局限性，本方法使用单向Hash函数和对称加密算法有效解决RFID系统的标签数据安全和隐私保护问题。本发明新颖实用，采用轻量级的加解密、搜索和验证运算，节约了标签成本和功耗，提高了系统的安全性，适用于有较高安全和隐私要求的RFID系统。

Description

一种基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证方法 
技术领域
本发明涉及一种基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证方法，属于RFID空中接口安全技术领域，涉及RFID安全认证协议。 
背景技术
RFID(射频识别)技术利用无线射频信号实现目标对象的非接触自动识别，逐渐推广应用于身份识别、安全防伪、交通物流、资产管理等领域。作为一项新兴的传感技术，RFID技术与互联网相结合，可以实现全球范围内物品跟踪与信息共享，具有广泛的应用前景。然而，由于RFID系统自身硬件系统的局限性和通信链路的特殊性，标签和读写器之间的空中接口面临着严峻的安全威胁和隐私问题，成为一项重要的研究课题。 
RFID系统空中接口面临的安全问题主要包括标签数据的侦听篡改，通信数据的截取重放，通信实体的身份假冒，通信链路的恶意阻塞等。基于对系统机密性、完整性、可用性和隐私性的综合考虑，业内提出了多种安全解决方案和防护措施，主要包括物理机制、密码机制和两者相结合的机制。其中，密码机制涉及到标签访问控制、认证和加密算法等关键技术。近年来，通过应用基于密码算法的安全认证机制解决RFID安全隐私问题成为学术研究的重点。现有安全认证协议主要通过(伪)随机数、逻辑位运算、Hash函数、对称密钥等成熟的算子实现标签数据传输安全。在整个通信过程中，标签ID几乎都是以其完整形式进行加密、解密、传输和认证，在一定程度上存在很大的安全隐患。再者，由于RFID前向链路和后向链路的不同特性，单一的认证模式也给攻击者创造了潜在的攻击脆弱点。基于此，本发明提出了一种基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证机制，用于实现对标签数据安全和隐私保护。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证方法，该方法适用于有较高安全需求的RFID系统，着力解决RFID空中接口所面临的跟踪、重放、假冒等典型安全攻击，用以满足RFID系统空中接口的标签匿名性和前向不可追踪性。 
基于以上目的，本发明通过采取以下技术方案予以实现： 
一种基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证方法，其特征是：在RFID系统初始化时，每一个标签和读写器分别拥有唯一的标识符IDT和IDR；数据库拥有所有的标签、读写器的标识符；标签，读写器和后台数据库拥有保密的共 享密钥K。在本系统中，从读写器到后台数据库之间的后向通信链路被认为是安全的。 
RFID系统的安全认证协议步骤如下： 
(1)读写器询问请求：读写器R首先生成两个随机数rR和p，并将rR和p作为询问请求发送给标签T； 
(2)标签ID随机划分：标签T收到请求后，对rR进行Ha sh运算得到H(rR)。同时，标签T将自身的标识符IDT随机划分为左标识符 
Figure BSA00000320546400021
和右标识符 两部分(其中， 
Figure BSA00000320546400023
和 的划分由p决定，在不同的会话周期中是动态变化的)，标签T进行异或运算得到 
Figure BSA00000320546400025
然后，标签T生成一个随机数rT，并用密钥K将rT和 
Figure BSA00000320546400026
加密成 
Figure BSA00000320546400027
标签T将H(rR)和 
Figure BSA00000320546400028
作为应答发送给读写器R； 
(3)第一重认证：读写器R收到标签响应后，同样对rR进行Hash运算得到H′(rR)。通过比较计算得到的Hash值H′(rR)与接收到的Hash值H(rR)是否相等，初步验证标签的合法性。如果两个Hash值相等，则标签通过第一重认证。读写器继续计算得到H(IDR)，并将 
Figure BSA00000320546400029
rR，p，H(IDR)发送给后台数据库DB；否则，读写器认为标签不合法，协议终止并返回错误代码； 
(4)第二重认证：数据库DB首先进行异或运算得到 
Figure BSA000003205464000210
然后，数据库DB析出标签ID的高p位，通过检验是否存在某个匹配的 
Figure BSA000003205464000211
与 
Figure BSA000003205464000212
相等，来验证标签的合法性。如果存在，则数据库DB认为标签T合法。此后，数据库DB在内存中检索到IDR，并计算得到其Hash值H′(IDR)。数据库DB比较计算得到的Hash值H′(IDR)与接收到的Hash值H(IDR)是否相等，来验证读写器的合法性。如果相等，则数据库DB认为读写器R合法。当且仅当以上两次验证都通过时，协议继续，数据库DB使用密钥K加密 
Figure BSA000003205464000213
得到 
Figure BSA000003205464000214
并将 
Figure BSA000003205464000215
发送给读写器R；否则，协议终止并返回错误代码； 
(5)第三重认证：读写器R接收到数据库的数据后，将先前就收到的rT进行Hash运算得到H(rT)，并发送给标签T。当标签接收到H(rT)后，对生成的rT进行Hash运算计算得到H′(rT)。通过比较计算得到的Hash值H′(rT)与接收到的Hash值H(rT)是否相等，最后验证读写器的合法性。如果两个Hash值相等，则 读写器通过最后认证，标签T使用密钥K加密 得到 
Figure BSA00000320546400032
并将 
Figure BSA00000320546400033
发送给读写器R；否则，协议终止并返回错误代码； 
(6)标签ID恢复：读写器R接收到密文 
Figure BSA00000320546400034
和 
Figure BSA00000320546400035
后，使用密钥K进行解密运算分别得到 
Figure BSA00000320546400036
和 
Figure BSA00000320546400037
进而将 
Figure BSA00000320546400038
和 
Figure BSA00000320546400039
级联重现恢复出IDT，安全认证结束。 
在上述安全认证协议中涉及到的变量、定义以及运算符号分别说明如下： 
R：读写器 
T：标签 
DB：数据库 
IDR：读写器的唯一标识符 
IDT：标签的唯一标识符 
p：读写器生成的随机整数，用于将IDT随机划分为高序位和低序位两部分，其中p小于IDT的总位数 
Figure BSA000003205464000310
在每个会话周期中，随机划分的标签左标识符(高序的p位) 
Figure BSA000003205464000311
在每个会话周期中，随机划分的标签右标识符(其余的低序位) 
K：合法实体的共享密钥 
rR：读写器R生成的随机数 
rT：标签T生成的随机数 
{·}K：用密钥K进行加密运算 
H(·)：单向Hash函数运算 
Figure BSA000003205464000312
异或运算 
本发明的特点在于： 
1.首次提出了标签ID随机划分的RFI D数据传输模式。利用读写器生成的随机数p将标签ID随机划分为左标识符 
Figure BSA000003205464000313
和右标识符 
Figure BSA000003205464000314
两个部分。 
Figure BSA000003205464000315
和 
Figure BSA000003205464000316
用于代替标签完整的标识符IDT在通信链路中进行传输。因此，在每个会话周期中， 和 
Figure BSA000003205464000318
都是动态变化的，IDT始终处于隐藏状态，有效实现标签数据的匿名性和前向不可追踪性。此外，在整个认证过程中，通过使用共享密钥K对 
Figure BSA000003205464000319
和 
Figure BSA000003205464000320
进行加密，保证敏感数据以 
Figure BSA000003205464000321
和 
Figure BSA000003205464000322
的密文形式进行传输。本发明对所采用的加密算法并不做严格规定，倾向于采用轻量 级加密算法，在保障系统安全性的同时尽量达到节约系统资源、提高执行效率的目的。 
2.首次提出了针对标签和读写器两个实体的三重认证模式。本发明采用三重认证实现对标签和读写器身份合法性的两次验证，有效抵御重放和假冒等典型的安全攻击。在第一重认证中，读写器通过比较计算的H′(rR)和接收的H(rR)是否相等，来实现了对标签的第一次验证；在第二重认证中，后台数据库一方面通过比较计算的 
Figure BSA00000320546400041
和析出的 
Figure BSA00000320546400042
是否相等，来实现了对标签的第二次验证，另一方面通过比较计算的H′(IDR)和接收的H(IDR)是否相等，来实现了对读写器的第一次验证；在第三重认证中，标签通过比较计算的H′(rT)和接收的H(rT)是否相等，来实现了对读写器的第二次验证。综上，三重认证模式实现了：(1)标签和读写器之间的双向验证；(2)后台数据库对标签和读写器的单向验证。以上认证依次顺序进行，当出现认证失败时，协议立即终止并返回错误代码。 
本发明的优点在于： 
1.采用本发明提出的基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证方法，根据RFID系统前向空中接口和后向通信链路的特点，采用基于单向Hash函数和共享密钥等加密算法实现标签数据信息机密性和完整性保护。在一个会话周期中，标签的标识符IDT由随机划分的左、右部分标识符 
Figure BSA00000320546400043
和 
Figure BSA00000320546400044
所代替，大大提高了传输信息的机密性，可以有效抵御重放和假冒等攻击。 
2.采用本发明提出的基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证方法，利用随机数rR和rT保证交互数据的动态性，保证传输的某些密文由动态生成的随机数加密生成，使得某次通信数据即使在被截取的情况下，仍保持良好的不可链接性，有效抵御跟踪和流量分析等攻击。 
3.采用本发明提出的基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证方法，将RFID系统的认证过程分布在三个不同的通信实体中进行。充分利用标签、读写器和后台数据库的系统资源，大大减轻了后台数据库的计算负载，提高系统的工作效率。通过分布式三重认证模式，分步完成了对标签和读写器的两次身份合法性验证。同时，本发明在有效解决RFID系统安全意思问题的同时，兼顾了系统资源占用率和执行效率，具有响应迅速、易于实现等优点。 
附图说明
图1是本发明的基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证方法的通信过 程示意图。 
具体实施方式
一、RFID系统初始化 
在RFID系统初始化时，每一个标签和读写器分别拥有唯一的标识符IDT和IDR；数据库拥有所有的标签、读写器的标识符；标签，读写器和后台数据库拥有保密的共享密钥K。在本系统中，从读写器到后台数据库之间的后向通信链路被认为是安全的。 
二、认证过程 
RFID系统安全认证协议如图1所示，认证步骤如下： 
(1)读写器询问请求：读写器R首先生成两个随机数rR和p，并将rR和p作为询问请求发送给标签T； 
(2)标签ID随机划分：标签T收到请求后，对rR进行Hash运算得到H(rR)。同时，标签T将自身的标识符IDT随机划分为左标识符 
Figure BSA00000320546400051
和右标识符 
Figure BSA00000320546400052
两部分(其中， 
Figure BSA00000320546400053
和 
Figure BSA00000320546400054
的划分由p决定，在不同的会话周期中是动态变化的)，标签T进行异或运算得到 然后，标签T生成一个随机数rT，并用密钥K将rT和 
Figure BSA00000320546400056
加密成 
Figure BSA00000320546400057
标签T将H(rR)和 
Figure BSA00000320546400058
作为应答发送给读写器R； 
(3)第一重认证：读写器R收到标签响应后，同样对rR进行Hash运算得到H′(rR)。通过比较计算得到的Hash值H′(rR)与接收到的Hash值H(rR)是否相等，初步验证标签的合法性。如果两个Hash值相等，则标签通过第一重认证。读写器继续计算得到H(IDR)，并将 
Figure BSA00000320546400059
rR，p，H(IDR)发送给后台数据库DB；否则，读写器认为标签不合法，协议终止并返回错误代码； 
(4)第二重认证：数据库DB首先进行异或运算得到 
Figure BSA000003205464000510
然后，数据库DB析出标签ID的高p位，通过检验是否存在某个匹配的 
Figure BSA000003205464000511
与 
Figure BSA000003205464000512
相等，来验证标签的合法性。如果存在，则数据库DB认为标签T合法。此后，数据库DB在内存中检索到IDR，并计算得到其Ha sh值H′(IDR)。数据库DB比较计算得到的Ha sh值H′(IDR)与接收到的Ha sh值H(IDR)是否相等，来验证读写器的合法性。如果相等，则数据库DB认为读写器R合法。当且仅当以上两次验证都通过时，协议继续，数据库DB使用密钥K加密 
Figure BSA000003205464000513
得到 
Figure BSA000003205464000514
并将 
Figure BSA00000320546400061
发送给读写器R；否则，协议终止并返回错误代码； 
(5)第三重认证：读写器R接收到数据库的数据后，将先前就收到的rT进行Hash运算得到H(rT)，并发送给标签T。当标签接收到H(rT)后，对生成的rT进行Hash运算计算得到H′(rT)。通过比较计算得到的Hash值H′(rT)与接收到的Hash值H(rT)是否相等，最后验证读写器的合法性。如果两个Hash值相等，则读写器通过最后认证，标签T使用密钥K加密 得到 
Figure BSA00000320546400063
并将 
Figure BSA00000320546400064
发送给读写器R；否则，协议终止并返回错误代码； 
(6)标签ID恢复：读写器R接收到密文 
Figure BSA00000320546400065
和 
Figure BSA00000320546400066
后，使用密钥K进行解密运算分别得到 
Figure BSA00000320546400067
和 
Figure BSA00000320546400068
进而将 
Figure BSA00000320546400069
和 
Figure BSA000003205464000610
级联重现恢复出IDT，安全认证结束。 
在上述安全认证协议中涉及到的变量、定义以及运算符号分别说明如下： 
R：读写器 
T：标签 
DB：数据库 
IDR：读写器的唯一标识符 
IDT：标签的唯一标识符 
p：读写器生成的随机整数，用于将IDT随机划分为高序位和低序位两部分，其中p小于IDT的总位数 
Figure BSA000003205464000611
在每个会话周期中，随机划分的标签左标识符(高序的p位) 
Figure BSA000003205464000612
在每个会话周期中，随机划分的标签右标识符(其余的低序位) 
K：合法实体的共享密钥 
rR：读写器R生成的随机数 
rT：标签T生成的随机数 
{·}K：用密钥K进行加密运算 
H(·)：单向Hash函数运算 
异或运算。 

Claims (3)

1.一种基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证方法，其特征是：在RFID系统初始化时，每一个标签和读写器分别拥有唯一的标识符IDT和IDR；数据库拥有所有的标签、读写器的标识符；标签，读写器和后台数据库拥有保密的共享密钥K。在本系统中，从读写器到后台数据库之间的后向通信链路被认为是安全的。
RFID系统的安全认证协议步骤如下：
(1)读写器询问请求：读写器R首先生成两个随机数rR和p，并将rR和p作为询问请求发送给标签T；
(2)标签I D随机划分：标签T收到请求后，对rR进行Hash运算得到H(rR)。同时，标签T将自身的标识符IDT随机划分为左标识符 
Figure FSA00000320546300011
和右标识符 两部分(其中， 
Figure FSA00000320546300013
和 
Figure FSA00000320546300014
的划分由p决定，在不同的会话周期中是动态变化的)，标签T进行异或运算得到 
Figure FSA00000320546300015
然后，标签T生成一个随机数rT，并用密钥K将rT和 加密成 
Figure FSA00000320546300017
标签T将H(rR)和 
Figure FSA00000320546300018
作为应答发送给读写器R；
(3)第一重认证：读写器R收到标签响应后，同样对rR进行Hash运算得到H′(rR)。通过比较计算得到的Ha sh值H′(rR)与接收到的Ha sh值H(rR)是否相等，初步验证标签的合法性。如果两个Hash值相等，则标签通过第一重认证。读写器继续计算得到H(IDR)，并将 
Figure FSA00000320546300019
rR，p，H(IDR)发送给后台数据库DB；否则，读写器认为标签不合法，协议终止并返回错误代码；
(4)第二重认证：数据库DB首先进行异或运算得到 
Figure FSA000003205463000110
然后，数据库DB析出标签ID的高p位，通过检验是否存在某个匹配的 
Figure FSA000003205463000111
与 
Figure FSA000003205463000112
相等，来验证标签的合法性。如果存在，则数据库DB认为标签T合法。此后，数据库DB在内存中检索到IDR，并计算得到其Hash值H′(IDR)。数据库DB比较计算得到的Hash值H′(IDR)与接收到的Hash值H(IDR)是否相等，来验证读写器的合法性。如果相等，则数据库DB认为读写器R合法。当且仅当以上两次验证都通过时，协议继续，数据库DB使用密钥K加密 
Figure FSA000003205463000113
得到 
Figure FSA000003205463000114
并将 
Figure FSA000003205463000115
发送给读写器R；否则，协议终止并返回错误代码；
(5)第三重认证：读写器R接收到数据库的数据后，将先前就收到的rT进 行Hash运算得到H(rT)，并发送给标签T。当标签接收到H(rT)后，对生成的rT进行Hash运算计算得到H′(rT)。通过比较计算得到的Hash值H′(rT)与接收到的Hash值H(rT)是否相等，最后验证读写器的合法性。如果两个Hash值相等，则读写器通过最后认证，标签T使用密钥K加密 
Figure FSA00000320546300021
得到 
Figure FSA00000320546300022
并将 
Figure FSA00000320546300023
发送给读写器R；否则，协议终止并返回错误代码；
(6)标签ID恢复：读写器R接收到密文 
Figure FSA00000320546300024
和 
Figure FSA00000320546300025
后，使用密钥K进行解密运算分别得到 
Figure FSA00000320546300026
和 
Figure FSA00000320546300027
进而将 
Figure FSA00000320546300028
和 
Figure FSA00000320546300029
级联重现恢复出IDT，安全认证结束。
在上述安全认证协议中涉及到的变量、定义以及运算符号分别说明如下：
R：读写器
T：标签
DB：数据库
IDR：读写器的唯一标识符
IDT：标签的唯一标识符
p：读写器生成的随机整数，用于将IDT随机划分为高序位和低序位两部分，其中p小于IDT的总位数
Figure FSA000003205463000210
在每个会话周期中，随机划分的标签左标识符(高序的p位)
Figure FSA000003205463000211
在每个会话周期中，随机划分的标签右标识符(其余的低序位)
K：合法实体的共享密钥
rR：读写器R生成的随机数
rT：标签T生成的随机数
{·}K：用密钥K进行加密运算
H(·)：单向Hash函数运算
Figure FSA000003205463000212
异或运算。
2.根据权利要求1所述的一种基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证方法，其特征在于：利用随机数p将标签ID随机划分为左标识符 
Figure FSA000003205463000213
和右标识符 
Figure FSA000003205463000214
代替标签IDT用于通信链路的数据传输。
3.根据权利要求1所述的一种基于标签ID随机划分的RFID三重安全认证方法，其特征在于：标签、读写器和后台数据库通过三重认证模式实现对标签 和读写器身份合法性的两次验证，包括：
(1)标签和读写器之间的双向验证；
(2)后台数据库对标签和读写器的单向验证。 
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