CN102868534B - 基于两层搜索的rfid安全认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两层搜索的RFID安全认证方法，用于解决现有的RFID安全认证方法安全性差的技术问题。技术方案是服务器在检索数据库中的标签信息时，采用两层搜索，先通过简单的CRC函数对标签信息进行初步检索，然后利用PRNG函数精确定位。有效地保障了RFID标签的隐私，提高了RFID认证的安全性。

Description

基于两层搜索的RFID安全认证方法

技术领域

本发明涉及一种无线射频识别（以下简称RFID）安全认证方法，特别涉及一种基于两层搜索的RFID安全认证方法。

背景技术

在RFID系统中，由于读写器与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，因此安全问题已成为RFID技术广泛应用面临的主要挑战之一。

文献“A Lightweight Authentication Protocol for Low-Cost RFID.Journal of SignalProcessing Systems 2010，59(1)：95-102”设计了一种轻量级的RFID认证协议，在读写器和标签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，计算简单，符合低成本RFID认证协议的轻量级标准，具有一定的性能优势。该方法中，检索号的引入使得服务器在接收到读写器发送的请求分组后，通过与数据库中的标签记录进行比对，可以快速判断出该标签是否是目标标签在数据库中的记录。同时，为了克服静态索引号带来的跟踪攻击，在该方法中，标签每次成功认证读写器之后，需要对检索号进行更新。但是，该方法存在安全问题。如果攻击者通过拦截等主动攻击的手段拦截到读写器的响应消息，使得标签没有对检索号进行更新，在这种情况下，由于服务器记录有当前和前一次的检索号信息，不影响下次的认证过程，因此，在连续两次的成功认证中，攻击者可以通过窃听读写器和标签之间的通信信道，获得索引号，从而成功跟踪标签的行为。这种攻击在具体的实际应用实例（如身份证ID cards等）中，将造成严重的隐私问题。

发明内容

为了克服现有的RFID安全认证方法安全性差的不足，本发明提供一种基于两层搜索的RFID安全认证方法。该方法通过服务器检索数据库中的标签信息，采用两层搜索，先通过简单的CRC函数对标签信息进行初步检索，然后利用PRNG函数精确定位，可以有效地保障RFID标签的隐私，提高RFID认证的安全性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于两层搜索的RFID安全认证方法，其特点是包括以下步骤：

第一步：读写器R生成随机数r₁，构造读写器询问分组并将其发送给标签T，读写器询问分组仅包含随机数r₁；

第二步：标签T收到读写器R发送的读写器询问分组后，生成随机数r₂，计算和PRNG(x||r₁||r₂||SID)，令m₁和m₂分别为的前半部分和后半部分的值，n₁和n₂分别为PRNG(x||r₁||r₂||SID)的前半部分和后半部分的值。其中，x为存储在标签中的共享密钥,SID为存储在标签中的标签秘密标识符。最后，标签T构造标签响应分组并将其发送给读写器R，标签响应分组包括随机数r₂、m₁和n₁；

第三步：读写器R收到标签T发送的标签响应分组后，构造读写器请求分组并将其传递给服务器S，读写器请求分组包括r₁、r₂、m₁和n₁；

第四步：服务器S接收到读写器R发送的读写器请求分组后，执行以下操作：

4.1令i=1，转4.2；

4.2令x_i=x_inew，计算 $\mathrm{CRC}\left((x_i\⊕{\mathrm{SID}}_i)\right|\left|r_1\right|\left|r_2\right),$ 令m₁′和m₂′分别为 $\mathrm{CRC}\left((x_i\⊕{\mathrm{SID}}_i)\right|\left|r_1\right|\left|r_2\right)$ 前半部分和后半部分的值，判断m₁′＝m₁是否成立，其中m₁为读写器请求分组中的m₁值。如果成立，转4.3；否则，转4.4。

4.3计算PRNG(x_i||r₁||r₂||SID_i)，令n₁′和n₂′分别为PRNG(x_i||r₁||r₂||SID_i)的前半部分和后半部分的值，并判断n₁′＝n₁是否成立，其中n₁为读写器请求分组中的n₁值。如果成立，转4.6；否则，转4.4。

4.4令x_i=x_iold，计算 $\mathrm{CRC}\left((x_i\⊕\mathrm{SI}{D}_i)\right|\left|r_1\right|\left|r_2\right),$ 令m₁′和m₂′分别为 $\mathrm{CRC}\left((x_i\⊕{\mathrm{SID}}_i)\right|\left|r_1\right|\left|r_2\right)$ 的前半部分和后半部分的值，判断m₁′=m₁是否成立。如果成立，转4.5；如果不成立，令i＝i+1并判断i是否不大于N。如果i不大于N，转4.2；否则，认证失败，退出协议过程。

4.5计算PRNG(x_i||r_1||r₂||SID_i)，令n₁′和n₂′分别为PRNG(x_i||r₁||r₂||SID_i)的前半部分和后半部分的值，并判断n₁′＝n₁是否成立，其中n₁为读写器请求分组中的n₁值。如果成立，转4.6；否则，令i=i+1并判断i是否不大于N。如果i不大于N，转4.2；否则，认证失败，退出协议过程。

4.6服务器S构造服务器响应分组，该分组包括n₂′和D_i，其中D_i为存储在数据库中的标签的详细信息。同时，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：如果x_i等于x_inew，则令x_iold=x_inew且x_inew＝PRNG(r₁||R₂||m₂′)；否则，x_iold保持不变并令x_inew＝PRNG(r₁||R₂||m₂′)。最后，服务器S将服务器响应分组发送给读写器R。

第五步：读写器R收到服务器S发送的服务器响应分组后，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其发送给标签T，该读写器响应分组仅包含n₂′；

第六步：标签T接收到读写器R的响应分组后，判断n₂′＝n₂是否成立。如果不成立，标签T保持x的值不变，并结束当前协议过程；否则，标签T成功认证服务器S，并执行以下更新过程：x=PRNG(r₁||R₂||m₂)。

本发明的有益效果是：由于通过服务器检索数据库中的标签信息，采用两层搜索，先通过简单的CRC函数对标签信息进行初步检索，然后利用PRNG函数精确定位，有效地保障了RFID标签的隐私，提高了RFID认证的安全性。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明基于两层搜索的RFID安全认证方法的流程图。

图2是本发明基于两层搜索的RFID安全认证方法的流程详图。

具体实施方式

参照图1、2详细说明本发明。

名词解释。

N：服务器中存储的标签的数目；

i：变量，其值为正整数（1≤I≤N），用来指示数据库中标签的具体存储位置；

SID：存储在标签中的秘密标识符；

x：存储在标签中的共享密钥；

SID_i：存储在服务器中的第i个标签的秘密标识符；

D_i：存储在服务器中的第i个标签的详细信息；

x_inew：存储在服务器中的第i个标签的当前的共享密钥；

x_iold：存储在服务器中的第i个标签的前一次的共享密钥；

x_i：变量，其值为x_inew或x_iold；

r₁：随机数；

r₂：随机数；

||：链接操作符；

按位异或操作符，即XOR运算符；

CRC(k)：循环冗余校验函数，k为自变量；

PRNG(k)：伪随机数发生函数，k为自变量。

（1）初始化过程。

在认证过程运行之前，初始化过程为：

为了防止拒绝服务攻击，服务器在数据库中保存当前的和前一次的共享密钥x_i的值，即：每一个标签在数据库中的存储记录为x_inew、x_iold、SID_i和D_i，初始时记录被设置为x_inew=x_iold=x₀，随机值x₀由制造商产生，其中x_inew和x_iold分别为标签当前和前一次的共享密钥。每一个标签中的存储记录为x和SID，它们与在数据库中的记录相等。读写器与数据库被看作一个整体，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。

在具体实施实例中，协议过程如下：

第一步：读写器R生成随机数r₁，构造读写器询问分组并将其发送给标签T，读写器询问分组仅包含随机数r₁；

第二步：标签T收到读写器R发送的读写器询问分组后，生成随机数r₂，计算和PRNG(x||r₁||r₂||SID)，令m₁和m₂分别为的前半部分和后半部分的值，n₁和n₂分别为PRNG(x||r₁||r₂||SID)的前半部分和后半部分的值。其中，x为存储在标签中的共享密钥,SID为存储在标签中的标签秘密标识符。最后，标签T构造标签响应分组并将其发送给读写器R，标签响应分组包括随机数r₂、m₁和n₁；

第三步：读写器R收到标签T发送的标签响应分组后，构造读写器请求分组并将其传递给服务器S，读写器请求分组包括r₁、r₂、m₁和n₁；

第四步：服务器S接收到读写器R发送的读写器请求分组后，执行以下操作：

4.1令i=1，转4.2；

4.2令x_i=x_inew，计算 $\mathrm{CRC}\left((x_i\⊕{\mathrm{SID}}_i)\right|\left|r_1\right|\left|r_2\right),$ 令m₁′和m₂′分别为 $\mathrm{CRC}\left((x_i\⊕{\mathrm{SID}}_i)\right|\left|r_i\right|\left|r_2\right)$ 前半部分和后半部分的值，判断m₁′＝m₁是否成立，其中m₁为读写器请求分组中的m₁值。如果成立，转4.3；否则，转4.4。

4.3计算PRNG(x_i||r₁||r₂||SID_i)，令n₁′和n₂′分别为PRNG(x_i||r₁||r₂||SID_i)的前半部分和后半部分的值，并判断n₁′＝n₁是否成立，其中n₁为读写器请求分组中的n₁值。如果成立，转4.6；否则，转4.4。

4.4令x_i=x_iold，计算 $\mathrm{CRC}\left((x_i\⊕{\mathrm{SID}}_i)\right|\left|r_1\right|\left|r_2\right),$ 令m₁′和m₂′分别为 $\mathrm{CRC}\left((x_i\⊕{\mathrm{SID}}_i)\right|\left|r_1\right|\left|r_2\right)$ 的前半部分和后半部分的值，判断m₁′＝m₁是否成立。如果成立，转4.5；如果不成立，令i＝i+1并判断i是否不大于N。如果i不大于N，转4.2；否则，认证失败，退出协议过程。

4.5计算PRNG(x_i||r₁||r₂||SID_i)，令n₁′和n₂′分别为PRNG(x_i||r₁||r₂||SID_i)的前半部分和后半部分的值，并判断n₁′＝n₁是否成立，其中n₁为读写器请求分组中的n₁值。如果成立，转4.6；否则，令i=i+1并判断i是否不大于N。如果i不大于N，转4.2；否则，认证失败，退出协议过程。

4.6服务器S构造服务器响应分组，该分组包括n₂′和D_i，其中D_i为存储在数据库中的标签的详细信息。同时，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：如果x_i等于x_inew，则令x_iold=x_inew且x_inew＝PRNG(r₁||r₂||m₂′)；否则，x_iold保持不变并令x_inew＝PRNG(r₁||r₂||m₂′)。最后，服务器S将服务器响应分组发送给读写器R。

第五步：读写器R收到服务器S发送的服务器响应分组后，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其发送给标签T，该读写器响应分组仅包含n₂′；

第六步：标签T接收到读写器R的响应分组后，判断n₂′＝n₂是否成立。如果不成立，标签T保持x的值不变，并结束当前协议过程；否则，标签T成功认证服务器S，并执行以下更新过程：x=PRNG(r₁||r₂||m₂)。

通过上述认证协议，读写器和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)

1.一种基于两层搜索的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生成随机数r₁，构造读写器询问分组并将其发送给标签T，读写器询问分组仅包含随机数r₁；

第二步：标签T收到读写器R发送的读写器询问分组后，生成随机数r₂，计算CRC((x⊕SID)||r₁||r₂)和PRNG(x||r₁||r₂||SID)，令m₁和m₂分别为CRC((x⊕SID)||r₁||r₂)的前半部分和后半部分的值，n₁和n₂分别为PRNG(x||r₁||r₂||SID)的前半部分和后半部分的值；其中，x为存储在标签中的共享密钥,SID为存储在标签中的标签秘密标识符；最后，标签T构造标签响应分组并将其发送给读写器R，标签响应分组包括随机数r₂、m₁和n₁；

第三步：读写器R收到标签T发送的标签响应分组后，构造读写器请求分组并将其传递给服务器S，读写器请求分组包括r₁、r₂、m₁和n₁；

第四步：服务器S接收到读写器R发送的读写器请求分组后，执行以下操作：

4.1令i＝1，转4.2；

4.2令x_i＝x_inew，计算CRC((x_i⊕SID_i)||r₁||r₂)，令m′₁和m′₂分别为CRC((x_i⊕SID_i)||r₁||r₂)前半部分和后半部分的值，判断m′₁＝m₁是否成立，其中m₁为读写器请求分组中的m₁值；如果成立，转4.3；否则，转4.4；

4.3计算PRNG(x_i||r₁||r₂||SID_i)，令n′₁和n′₂分别为PRNG(x_i||r₁||r₂||SID_i)的前半部分和后半部分的值，并判断n′₁＝n₁是否成立，其中n₁为读写器请求分组中的n₁值；如果成立，转4.6；否则，转4.4；

4.4令x_i＝x_iold，计算CRC((x_i⊕SID_i)||r₁||r₂)，令m′₁和m′₂分别为CRC((x_i⊕SID_i)||r₁||r₂)的前半部分和后半部分的值，判断m′₁＝m₁是否成立；如果成立，转4.5；如果不成立，令i＝i+1并判断i是否不大于N；如果i不大于N，转4.2；否则，认证失败，退出协议过程；

4.5计算PRNG(x_i||r₁||r₂||SID_i)，令n′₁和n′₂分别为PRNG(x_i||r₁||r₂||SID_i)的前半部分和后半部分的值，并判断n′₁＝n₁是否成立，其中n₁为读写器请求分组中的n₁值；如果成立，转4.6；否则，令i＝i+1并判断i是否不大于N；如果i不大于N，转4.2；否则，认证失败，退出协议过程；

4.6服务器S构造服务器响应分组，该分组包括n′₂和D_i，其中D_i为存储在数据库中的标签的详细信息；同时，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：如果x_i等于x_inew，则令x_iold＝x_inew且x_inew＝PRNG(r₁||r₂||m₂′)；否则，x_iold保持不变并令x_inew＝PRNG(r₁||r₂||m′₂)；最后，服务器S将服务器响应分组发送给读写器R；

x_i是变量，其值为x_inew或x_iold；x_inew是存储在服务器中的第i个标签的当前的共享密钥；x_iold是存储在服务器中的第i个标签的前一次的共享密钥；SID_i是存储在服务器中的第i个标签的秘密标识符；N是服务器中存储的标签的数目；

第五步：读写器R收到服务器S发送的服务器响应分组后，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其发送给标签T，该读写器响应分组仅包含n′₂；第六步：标签T接收到读写器R的响应分组后，判断n′₂＝n₂是否成立；如果不成立，标签T保持x的值不变，并结束当前协议过程；否则，标签T成功认证服务器S，并执行以下更新过程：x＝PRNG(r₁||r₂||m₂)。