CN102497264B - 基于epc c-1 g-2标准的rfid安全认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于EPC C-1G-2标准的RFID安全认证方法，用于解决现有的基于EPC C-1G-2标准的RFID安全认证方法安全性差的技术问题。技术方案是标签和读写器采用循环冗余校验码(CRC)、伪随机数发生器(PRNG)和按位异或(XOR)操作，解决了现有的RFID认证方案的已知安全漏洞，有效抵抗标签跟踪攻击和保障标签前向安全。而且，符合低成本RFID标签的EPC C-1G-2标准，降低了标签的存储和计算需求，能够很好的适应低性能设备应用的要求。

Description

基于EPC C-1 G-2标准的RFID安全认证方法

技术领域

本发明涉及一种RFID安全认证方法，特别是涉及一种基于EPC C-1G-2标准的RFID安全认证方法。 

背景技术

在无线射频识别(Radio Frequency Identification以下简称RFID)系统中，由于阅读器和标签之间通过射频信号进行无线通信，致使RFID系统极易遭受各种攻击，安全问题已成为RFID技术广泛应用面临的主要挑战。 

文献“Securing RFID systems conforming to EPC Class-1Generation-2standard，Expert Systems with Applications，2010，37(12)：7678～7683”公开了验证符合EPC C-1G-2标准(Electronic Product Code class-1generation-2，电子产品编码1类第二代标准)的RFID安全认证方法，该方法在标签和读写器设备上，最主要的运算操作为循环冗余校验码(CRC)、伪随机数发生器(PRNG)和按位异或(XOR)操作。该方法中引入了标签索引号从而极大地提高了数据库识别标签的效率，但是，从该方法中读写器与标签之间的交互信息的消息结构分析可知：若攻击者通过连续两次假冒阅读器询问标签，并获取标签响应消息，就可获取到标签内存中固定的标签标识符EPC，攻击者获得标签标识符EPC后，进而会计算出共享密钥，从而成功假冒标签，除此之外，EPC的泄露还导致了该方法容易遭受读写器假冒攻击和拒绝服务(DoS)攻击等；进一步的分析发现该方案中还存在密钥泄露的隐患，通过简单的被动攻击可以获取标签和后台的共享数据库的共享密钥，从而导致该方法极不安全。 

发明内容

为了克服现有的基于EPC C-1G-2标准的RFID安全认证方法安全性差的技术问题，本发明提供一种基于EPC C-1G-2标准的RFID安全认证方法，该方法中标签和读写器采用循环冗余校验码(CRC)、伪随机数发生器(PRNG)和按位异或(XOR)操作，可以解决现有的RFID认证方案的已知安全漏洞，有效抵抗标签跟踪攻击和保 障标签前向安全，而且符合低成本RFID标签的EPC C-1G-2标准，可以降低标签的存储和计算需求，能够很好的适应低性能设备应用的要求。 

本发明解决现有的基于EPC C-1G-2标准的RFID安全认证方法安全性差的技术问题所采用的技术方案是：一种基于EPC C-1G-2标准的RFID安全认证方法，其特点是包括以下步骤： 

第一步：读写器R产生随机数N₁，构造读写器询问分组并将读写器询问分组发送给标签T，读写器询问分组仅包含随机数N₁； 

第二步：标签T收到读写器R发送的读写器询问分组后，产生随机数N₂，并计算以下信息： 

$M_1={\mathrm{EPC}}_S\⊕N_1\⊕K_i$

${\mathrm{CN}}_2=N_2\⊕\mathrm{PRNG}\left(K_i\right)$

$M_2=\mathrm{CRC}({\mathrm{EPC}}_S\⊕N_2\⊕C_i)\⊕K_i$

上式中，EPC_S为标签T的标签标识码，K_i为存储在标签中的共享密钥，C_i为存储在标签中的标签索引号；最后，标签T构造标签响应分组C_i||M₁||CN₂||M₂并将标签响应分组C_i||M₁||CN₂||M₂发送给读写器R； 

第三步：读写器R收到标签T发送的标签响应分组C_i||M₁||CN₂||M₂后，构造读写器请求分组C_i||M₁||CN₂||M₂||N₁并将读写器请求分组C_i||M₁||CN₂||M₂||N₁发送给服务器S； 

第四步：服务器S接收到读写器R发送的读写器请求分组C_i||M₁||CN₂||M₂||N₁后，利用接收到的读写器请求分组C_i||M₁||CN₂||M₂||N₁中的标签索引号C_i，在数据库中查找满足C_i＝C_inew或者C_i＝C_iold的标签记录条目，其中C_inew为存储在数据库中的当前标签索引号，C_iold为存储在数据库中的前一次标签索引号；如果找不到，发送出错信息给读写器R并终止会话；否则，从找到的标签记录条目中提取出标签的标签标识码EPC_S、存储在数据库中的当前共享密钥K_inew、存储在数据库中的前一次共享密钥K_iold，并计算临时密钥 

然后，判断K′_i＝K_inew或者K′_i＝K_iold是否成立；如果均不成立，发送出错信息给读写器R并终止会话，否则，利用K′_i解密出随机数  $N_2={\mathrm{CN}}_2\⊕\mathrm{PRNG}\left(K_i^{\′}\right),$ 再判断 $M_2\⊕K_i^{\′}$ 的值是否等于 $\mathrm{CRC}({\mathrm{EPC}}_S\⊕N_2\⊕C_i);$ 如果不相等，发送出错信息给读写器R终止会话；否则，服务器S通过对标签T的认证，并执行以下两个步骤： 

1、服务器S计算信息 $M_3=\mathrm{CRC}({\mathrm{EPC}}_S\⊕(N_2>>l/4))\⊕K_i^{\′},$ 然后构造服务器响应分组D_i||M₃并将服务器响应分组D_i||M₃发送给读写器R，其中，D_i为存储在数据库中的标签的详细信息； 

2、服务器S更新标签T在服务器中存储的标签记录条目信息如下： 

C_iold＝C_i

$C_{\mathrm{inew}}=\mathrm{PRNG}(N_1\⊕N_2)\⊕K_i^{\′}$

K_iold＝K′_i

$K_{\mathrm{inew}}=K_i^{\′}\⊕(N_2>>l/4)$

第五步：读写器R收到服务器S发送的服务器响应分组D_i||M₃后，提取出标签T的详细信息D_i，然后构造读写器响应分组并将读写器响应分组发送给标签T，其中读写器响应分组仅包含M₃； 

第六步：标签T收到读写器响应分组后，计算 

然后判断M′₃是否等于 

如果不相等，标签T终止会话，否则，标签T通过对服务器S的认证，并执行以下更新： 

$C_i=\mathrm{PRNG}(N_1\⊕N_2)\⊕K_i$

$K_i=K_i\⊕(N_2>>l/4)$

完成读写器与标签之间的安全认证。 

本发明的有益效果是：由于该方法中标签和读写器采用循环冗余校验码(CRC)、伪随机数发生器(PRNG)和按位异或(XOR)操作，解决了现有的RFID认证方案的已知安全漏洞，有效抵抗标签跟踪攻击和保障标签前向安全。而且，符合低成本RFID标签的EPC C-1G-2标准，降低了标签的存储和计算需求，能够很好的适应低性能设备应用的要求。 

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。 

附图说明

附图是本发明方法的流程图。 

具体实施方式

名词解释：EPC C-1G-2：Electronic Product Code class-1generation-2，电子产品编码1类第二代标准； 

EPC：标签标识符； 

EPC_S：标签标识码，由标签标识符EPC共96位划分为6个16位块按位异或产生的16位字符串； 

N：RFID系统中标签的最大数目； 

i：正整数(1≤i≤N)； 

l：数据长度值，常设定为标签标识符的长度； 

N₁：随机数，长度为l比特； 

N₂：随机数，长度为l比特； 

K_i：存储在标签中的共享密钥； 

C_i：存储在标签中的标签索引号，用于找到标签在数据库中相应的记录； 

_new：下标new表示当前的值； 

_old：下标old表示前一次的值； 

K_inew：存储在数据库中的当前共享密钥； 

K_iold：存储在数据库中的前一次共享密钥； 

C_inew：存储在数据库中的当前标签索引号； 

C_iold：存储在数据库中的前一次标签索引号； 

D_i：存储在数据库中的标签的详细信息； 

||：链接操作符； 

按位异或操作符，即XOR运算符； 

＜＜：循环左移操作符，m＜＜x表示将数值m循环左移x位； 

＞＞：循环右移操作符，m＞＞x表示将数值m循环右移x位； 

PRNG(x)：伪随机数发生函数，x为自变量； 

CRC(x)：循环冗余校验函数，x为自变量。 

参照附图。下面将详细描述RFID系统中读写器与标签之间进行的一个完整认证过程。具体过程如下： 

(1)初始化过程。 

每一个标签在数据库中的存储记录为C_inew，C_iold，K_inew，K_iold，EPC_S和D_i，初始时记录值被设置为K_iold＝K_inew＝K₀，C_iold＝C_inew＝C₀，随机值K₀和C₀由制造商产生。每一个标签的存储记录为K_i＝K₀，C_i＝C₀和EPC_S，它们与数据库中的记录值相等。读写器与后台数据库被看做一个整体，读写器不用长期保存身份信息，因而，方案中读写器无需存储任何数据。 

(2)认证过程。 

第一步：读写器R产生随机数N₁，构造读写器询问分组并将读写器询问分组发送给标签T，读写器询问分组仅包含随机数N₁； 

第二步：标签T收到读写器R发送的读写器询问分组后，产生随机数N₂，并计算以下信息： 

$M_1={\mathrm{EPC}}_S\⊕N_1\⊕K_i$

${\mathrm{CN}}_2=N_2\⊕\mathrm{PRNG}\left(K_i\right)$

$M_2=\mathrm{CRC}({\mathrm{EPC}}_S\⊕N_2\⊕C_i)\⊕K_i$

其中：EPC_S为标签T的标签标识码，K_i为存储在标签中的共享密钥，C_i为存储在标 签中的标签索引号；最后，标签T构造标签响应分组C_i||M₁||CN₂||M₂并将标签响应分组C_i||M₁||CN₂||M₂发送给读写器R； 

第三步：读写器R收到标签T发送的标签响应分组C_i||M₁||CN₂||M₂后，构造读写器请求分组C_i||M₁||CN₂||M₂||N₁并将读写器请求分组C_i||M₁||CN₂||M₂||N₁发送给服务器S； 

第四步：服务器S接收到读写器R发送的读写器请求分组C_i||M₁||CN₂||M₂||N₁后，利用读写器R发送的读写器请求分组C_i||M₁||CN₂||M₂||N₁中的标签索引号C_i，查找满足C_i＝C_inew或者C_i＝C_iold的标签记录条目，其中C_inew为存储在数据库中的当前标签索引号，C_iold为存储在数据库中的前一次标签索引号。如果找不到，发送出错信息给读写器R并终止会话；否则，从找到的标签记录条目中提取出标签标识码EPC_s、存储在数据库中的当前共享密钥K_inew、存储在数据库中的前一次共享密钥K_iold，并计算 

然后，判断K′_i＝K_inew或者K′_i＝K_iold是否成立。如果均不成立，发送出错信息给读写器R并终止会话，否则，利用K′_i解密出随机数  $N_2={\mathrm{CN}}_2\⊕\mathrm{PRNG}\left(K_i^{\′}\right),$ 再判断 $M_2\⊕K_i^{\′}$ 是否等于 $\mathrm{CRC}({\mathrm{EPC}}_S\⊕N_2\⊕C_i).$ 如果不相等，发送出错信息给读写器R终止会话；否则，服务器S通过对标签T的认证，并执行以下步骤： 

1、服务器S计算信息 $M_3=\mathrm{CRC}({\mathrm{EPC}}_S\⊕(N_2>>l/4))\⊕K_i^{\′},$ 然后构造服务器响应分组D_i||M₃并将服务器响应分组D_i||M₃发送给读写器R，其中，D_i为存储在数据库中的标签的详细信息； 

2、服务器S更新标签T在服务器中存储的标签记录条目信息如下： 

C_iold＝C_i

$C_{\mathrm{inew}}=\mathrm{PRNG}(N_1\⊕N_2)\⊕K_i^{\′}$

K_iold＝K′_i

$K_{\mathrm{inew}}=K_i^{\′}\⊕(N_2>>l/4)$

第五步：读写器R收到服务器发送的服务器响应分组D_i||M₃后，提取出标签T的详细信息D_i，然后构造读写器响应分组并将读写器响应分组发送给标签T，其中读写器响应分组仅包含M₃。 

第六步：标签T收到读写器响应分组后，计算 

然后判断M′₃是否等于 

如果不相等，标签T终止会话，否则，标签T通过对服 务器S的认证，并执行以下更新： 

$C_i=\mathrm{PRNG}(N_1\⊕N_2)\⊕K_i$

$K_i=K_i\⊕(N_2>>l/4)$

通过上述认证协议，读写器与标签之间实现了安全认证，并且读写器获取到了合法标签的详细信息。 

Claims (1)

1.一种基于电子产品编码1类第二代标准的RFID安全认证方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：读写器R产生随机数N₁，构造读写器询问分组并将读写器询问分组发送给标签T，读写器询问分组仅包含随机数N₁；

第二步：标签T收到读写器R发送的读写器询问分组后，产生随机数N₂，并计算以下信息：

$M_1={\mathrm{EPC}}_S\⊕N_1\⊕K_i$

${\mathrm{CN}}_2=N_2\⊕\mathrm{PRNG}\left(K_i\right)$

$M_2=\mathrm{CRC}({\mathrm{EPC}}_S\⊕N_2\⊕C_i)\⊕K_i$

上式中，EPC_S为标签T的标签标识码，K_i为存储在标签中的共享密钥，C_i为存储在标签中的标签索引号；最后，标签T构造标签响应分组C_i||M₁||CN₂||M₂并将标签响应分组C_i||M₁||CN₂||M₂发送给读写器R；式中，PRNG是伪随机数发生函数；CRC是循环冗余校验函数；

第三步：读写器R收到标签T发送的标签响应分组C_i||M₁||CN₂||M₂后，构造读写器请求分组C_i||M₁||CN₂||M₂||N₁，并将读写器请求分组C_i||M₁||CN₂||M₂||N₁发送给服务器S；

第四步：服务器S接收到读写器R发送的读写器请求分组C_i||M₁||CN₂||M₂||N₁后，利用接收到的读写器请求分组C_i||M₁||CN₂||M₂||N₁中的标签索引号C_i，在数据库中查找满足C_i＝C_inew或者C_i＝C_iold的标签记录条目，其中C_inew为存储在数据库中的当前标签索引号，C_iold为存储在数据库中的前一次标签索引号；如果找不到，发送出错信息给读写器R并终止会话；否则，从找到的标签记录条目中提取出标签的标签标识码EPC_S、存储在数据库中的当前共享密钥K_inew、存储在数据库中的前一次共享密钥K_iold，并计算临时密钥然后，判断K_i′＝K_inew或者K_i′＝K_iold是否成立；如果均不成立，发送出错信息给读写器R并终止会话，否则，利用K_i′解密出随机数

再判断

的值是否等于

如果不相等，发送出错信息给读写器R终止会话；否则，服务器S通过对标签T的认证，并执行以下两个步骤：

1、服务器S计算信息 $M_3=\mathrm{CRC}({\mathrm{EPC}}_S\⊕(N_2>>l/4))\⊕K_i^{\′},$ 然后构造服务器响应分组D_i||M₃并将服务器响应分组D_i||M₃发送给读写器R，其中，D_i为存储在数据库中的标签的详细信息；式中，l是数据长度值，设定为标签标识符EPC的长度；

2、服务器S更新标签T在服务器中存储的标签记录条目信息如下：

C_iold＝C_i

$C_{\mathrm{inew}}=\mathrm{PRNG}(N_1\⊕N_2)\⊕K_i^{\′}$

K_iold＝K_i′

$K_{\mathrm{inew}}=K_i^{\′}\⊕(N_2>>l/4)$

第五步：读写器R收到服务器S发送的服务器响应分组D_i||M₃后，提取出标签T的详细信息D_i，然后构造读写器响应分组并将读写器响应分组发送给标签T，其中读写器响应分组仅包含M₃；

第六步：标签T收到读写器响应分组后，计算

然后判断M₃′是否等于

如果不相等，标签T终止会话，否则，标签T通过对服务器S的认证，并执行以下更新：

$C_i=\mathrm{PRNG}(N_1\⊕N_2)\⊕K_i$

$K_i=K_i\⊕(N_2>>l/4)$

完成读写器与标签之间的安全认证。

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