CN102034123B - 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。在所述的RFID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。 
所述的RFID系统的安全认证协议步骤如下： 
步骤1：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； 
步骤2：标签T收到请求后，将自身的标识符IDT随机划分为左标识符 
Figure GDA0000151044490000011
和右标识符 
Figure GDA0000151044490000012
两部分；其中， 
Figure GDA0000151044490000013
和 
Figure GDA0000151044490000014
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对rR进行Hash运算得到H(rR)，进行异或运算得到 
Figure GDA0000151044490000015
然后标签T生成一个随机数rT，并使用密钥K将 和rT加密成 
Figure GDA0000151044490000017
标签T将H(rR)和 
Figure GDA0000151044490000018
作为应答发送给读写器R； 
步骤3：读写器R收到标签响应后，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，读写器首先使用密钥K对 
Figure GDA0000151044490000021
进行解密得到 
Figure GDA0000151044490000022
和rT，然后进行Hash运算得到H(IDR)，并将 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； 
步骤4：数据库DB首先进行异或运算得到 
Figure GDA0000151044490000024
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 GDA0000151044490000025
与 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在内存中检索得到IDR，并进行Hash运算得到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，协议继续进行，数据库DB使用密钥K加密 
Figure GDA0000151044490000027
得到 
Figure GDA0000151044490000028
并将 发送给读写器R；否则，协议终止并返回错误代码； 
步骤5：读写器R接收到数据库的数据后，利用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 GDA00001510444900000210
得到 
Figure GDA00001510444900000211
并将 发送给读写器R；否则，协议终止并返回错误代码； 
步骤6：读写器R接收到密文 
Figure GDA00001510444900000213
和 
Figure GDA00001510444900000214
后，使用密钥K进行解密运算分别得到 
Figure GDA00001510444900000215
和 
Figure GDA00001510444900000216
通过对 
Figure GDA00001510444900000217
和 
Figure GDA00001510444900000218
进行级联运算得到IDT，认证协议结束； 
在上述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 
在每个会话周期中，随机划分的标签左标识符，即高序的p位 
Figure GDA00001510444900000220
在每个会话周期中，随机划分的标签右标识符，即其余的低序位 
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 GDA00001510444900000221
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RFID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 GDA0000151044490000031
和右标识符 两个部分。 
Figure GDA0000151044490000033
和 
Figure GDA0000151044490000034
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， 
Figure GDA0000151044490000035
和 
Figure GDA0000151044490000036
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 和 进行加密，保证敏感数据以 
Figure GDA0000151044490000039
和 
Figure GDA00001510444900000310
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 GDA00001510444900000311
和析出的 
Figure GDA00001510444900000312
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 GDA00001510444900000313
和 
Figure GDA00001510444900000314
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。在所述的RFID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 
所述的RFID系统的安全认证协议步骤如下： 
步骤1：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； 
步骤2：标签T收到请求后，将自身的标识符IDT随机划分为左标识符 
Figure GDA0000151044490000041
和右标识符 两部分；其中， 
Figure GDA0000151044490000043
和 
Figure GDA0000151044490000044
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对rR进行Hash运算得到H(rR)，进行异或运算得到 
Figure GDA0000151044490000045
然后标签T生成一个随机数rT，并使用密钥K将 
Figure GDA0000151044490000046
和rT加密成 
Figure GDA0000151044490000047
标签T将H(rR)和 
Figure GDA0000151044490000048
作为应答发送给读写器R； 
步骤3：读写器R收到标签响应后，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，读写器首先使用密钥K对 
Figure GDA0000151044490000049
进行解密得到 
Figure GDA00001510444900000410
和rT，然后进行Hash运算得到H(IDR)，并将 
Figure GDA00001510444900000411
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； 
步骤4：数据库DB首先进行异或运算得到 
Figure GDA00001510444900000412
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 GDA00001510444900000413
与 
Figure GDA00001510444900000414
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在内存中检索得到IDR，并进行Hash运算得到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，协议继续进行，数据库DB使用密钥K加密 
Figure GDA00001510444900000415
得到 
Figure GDA00001510444900000416
并将 
Figure GDA00001510444900000417
发送给读写器R；否则，协议终止并返回错误代码； 
步骤5：读写器R接收到数据库的数据后，利用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 GDA00001510444900000418
得到 
Figure GDA00001510444900000419
并将 
Figure GDA00001510444900000420
发送给读写器R；否则，协议终止并返回错误代码； 
步骤6：读写器R接收到密文 和 
Figure GDA00001510444900000422
后，使用密钥K进行解密运算分别得到 
Figure GDA00001510444900000423
和 
Figure GDA00001510444900000424
通过对 
Figure GDA00001510444900000425
和 
Figure GDA00001510444900000426
进行级联运算得到IDT，认证协议结束； 
在上述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 GDA00001510444900000427
在每个会话周期中，随机划分的标签左标识符，即高序的p位 
Figure GDA0000151044490000051
在每个会话周期中，随机划分的标签右标识符，即其余的低序位 
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 GDA0000151044490000052
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；在所述的RFID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；
所述的RFID系统的安全认证协议步骤如下：
步骤1：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；
步骤2：标签T收到请求后，将自身的标识符IDT随机划分为左标识符 和右标识符 
Figure FDA0000151044480000012
两部分；其中， 
Figure FDA0000151044480000013
和 
Figure FDA0000151044480000014
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对rR进行Hash运算得到H(rR)，进行异或运算得到 
Figure FDA0000151044480000015
然后标签T生成一个随机数rT，并使用密钥K将 
Figure FDA0000151044480000016
和rT加密成 
Figure FDA0000151044480000017
标签T将H(rR)和 
Figure FDA0000151044480000018
作为应答发送给读写器R；
步骤3：读写器R收到标签响应后，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，读写器首先使用密钥K对 
Figure FDA0000151044480000019
进行解密得到 
Figure FDA00001510444800000110
和rT，然后进行Hash运算得到H(IDR)，并将 
Figure FDA00001510444800000111
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；
步骤4：数据库DB首先进行异或运算得到 
Figure FDA00001510444800000112
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 与 
Figure FDA00001510444800000114
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在内存中检索得到IDR，并进行Hash运算得到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，协议继续进行，数据库DB使用密钥K加密 
Figure FDA00001510444800000115
得到 
Figure FDA00001510444800000116
并将 
Figure FDA00001510444800000117
发送给读写器R；否则，协议终止并返回错误代码；
步骤5：读写器R接收到数据库的数据后，利用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 FDA00001510444800000118
得到 
Figure FDA00001510444800000119
并将 
Figure FDA00001510444800000120
发送给读写器R；否则，协议终止并返回错误代码；
步骤6：读写器R接收到密文 
Figure FDA00001510444800000121
和 
Figure FDA00001510444800000122
后，使用密钥K进行解密运算分别得到 
Figure FDA00001510444800000123
和 通过对 
Figure FDA00001510444800000125
和 
Figure FDA00001510444800000126
进行级联运算得到IDT，认证协议结束；
在上述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 FDA0000151044480000021
在每个会话周期中，随机划分的标签左标识符，即高序的p位
Figure FDA0000151044480000022
在每个会话周期中，随机划分的标签右标识符，即其余的低序位
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。
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 FDA0000151044480000024
和右标识符 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：标签和读写器之间的双向验证，以及后台数据库对标签和读写器的单向验证。 
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