CN103020671A - 一种基于哈希函数的无线射频识别双向认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明是提供一种基于哈希函数的无线射频识别双向认证方法，标签与读写器之间身份的相互验证，主要是通过后端系统对预先分配并存储的标志信息或共享信息进行读取验证，采用后端系统的本地时间作为与标签共享的认证标志信息，其初始值由后端数据库系统对每个标签进行分配，其后的变化由后端系统根据与标签的每次验证过程中的本地系统时间进行更新。后端系统根据数据库存储标签的标志信息及相关联的信息，并在每次验证过程中执行Hash运算。RFID标签具有伪随机数发生器，执行Hash运算和异或逻辑运算。该方法具有良好的安全与隐私保护特性，可保护内容隐私、位置隐私，可抵抗重放攻击、拒绝服务攻击、数据同步攻击，防伪造。

Description

一种基于哈希函数的无线射频识别双向认证方法

技术领域

本发明涉及物联网、通信技术领域，具体而言，是一种无线射频识别系统的安全认证方案，主要解决无线射频识别系统中标签、阅读器、数据库之间的双向认证问题。 

背景技术

无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，是20世纪90年代兴起的一项非接触式的自动识别技术。它是通过射频方式进行非接触双向通信，以达到对目标对象的自动识别，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。 

无线射频识别系统由3部分组成：RFID标签、RFID读写器和后台数据库。商品和用户的信息存储在RFID标签中，通过标签与阅读器之间的非接触式的无线数据通信传送给后端数据库，即读写器通过天线发送、接收信号，无接触地读取和识别标签中所保存的数据，并将数据信息传送至后端数据库进一步处理，从而达到目标识别的目的。 

由于标签与阅读器之间的通信媒体是无线电，对攻击者和其他未授权的阅读器是完全暴露的，因此信息的传递具有机密性。在缺乏认证的情况下，攻击者可以采用重放合法阅读器或标签信号的方式来假冒，以获得标签或阅读器的信任，进而获取秘密信息。第三方可以监听、干扰、篡改标签和阅读器之间的会话，信息的完整性和可用性难以保证。攻击者也可以通过监听来获取敏感信息，并制造假标签，或通过监听、查询来跟踪标签和标签携带者。 

近年来，RFID技术以其独特的优势，逐渐地被广泛用于工业自动化和交通运输控制管理等众多领域。随着RFID应用的扩大，它所面临的安全问题日益突出，人们对安全性和隐私性越来越多的关注。 

基于对系统的机密性、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，根据所采取的安全机制，这些方案分为物理机制方案和加密机制方案。物理方法主要有：Kill命令机制、静电屏蔽、阻塞法等；加密机制采用的协议大多都是询问／响应的协议模式，主要是基于单向的Hash函数，包括Hash-lock协议、随机化Hash-lock协议、Hash链协议、基于杂凑的ID变化协议。 

“Kill命令机制”是在设计标签时使之能够接受一个Kill命令，这种标签无法再次进行利用，使用效率低；静电屏蔽需要额外添加一个物理设备，增加了系统的成本，也影响电子标签的便捷性；阻塞法依靠编入标签识别码的可修改位来保护隐私性，阻塞法依赖树遍历反冲突协议来起作用。除此之外，由于不可靠的RFID传输，可以造成阻塞的失败。 

Hash-lock协议容易受到重传攻击和哄骗攻击，并且不具有防追踪性；随机化Hash-lock协议中随机数的生成操作主要是由标签完成的，在低成本的标签情况下这个操作是不现实的，数据库将所有的ID传输给阅读器，增加了阅读器的工作量和整个认证的时间消耗，ID采用明文方式传输，容易造成ID信息泄露；Hash链协议只实现了读写器对电子标签的单向认证；基于杂凑的ID变化协议技术存在数据不同步问题和标签计算负荷太大等缺点。                                                                  

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于Hash(哈希函数)的无线射频识别双向认证方法，主要是对基于Hash函数的改进型射频识别双向认证协议，用于完善现有技术中RFID系统中的认证方法，该方法具有良好的安全与隐私保护特性，可保护内容隐私、位置隐私，可抵抗重放攻击、拒绝服务攻击、数据同步攻击，防伪造，具有良好的前向安全性、透明性。 

技术方案： 本发明的基于Hash的射频识别双向认证方法是：标签与读写器之间身份的相互验证，主要是通过后端系统对预先分配并存储的标志信息或共享信息进行读取验证，采用后端系统的本地时间作为与标签共享的认证标志信息，其初始值由后端数据库系统对每个标签进行分配，其后的变化由后端系统根据与标签的每次验证过程中的本地系统时间进行更新。后端系统根据数据库存储标签的标志信息及相关联的信息，并在每次验证过程中执行Hash运算。RFID标签具有伪随机数发生器，执行Hash运算和异或逻辑运算。 

本发明基于哈希函数的无线射频识别双向认证方法是一种零知识泄露的无线 

射频识别RFID安全协议，具体步骤如下：

1) 读写器询问请求： 读写器R首先产生随机数R₁，并向标签T发送请求Query与随机数R₁；

2) 标签应答：标签T产生一个随机数R₂，使用自己的SK和metaID计算 

，形成ZAM₁={ ，R₁，R₂}发送给读写器R； 

3) 读写器认证标签：读写器通过安全信道将ZAM₁={ ，R₁，R₂}发送给数据库；

4) 数据库更新记录：后端数据库DB收到ZAM₁={ 

， R₁，R₂}，在后台数据库中查找已注册的标签记录，利用记录中的参数计算

，验证 与是否匹配，若匹配，则DB完成对T的认证，同时找出匹配的记录或

，

计算

或

，当

，则更新，

之后数据库产生RSK，计算

，

，若

，则数据库不更新，计算，

，计算

；最后，后端数据库DB给读写器发送消息ZAM₂=｛DT，}至读写器R；其中，DT为会话序号的时间戳，是后端数据库DB的系统时间或具有时间戳功能的随机数，用于防止重放攻击，并作为本次会话的序号，合法的标签T可以用

恢复出RSK，用

验证RSK的合法性，同时验证读写器R的合法性。否则，认证失败，终止协议； 

5) 读写器R将ZAM₂转发给标签T；

6) 标签认证读写器：标签T收到ZAM₂后，首先判断DT，如果比之前保存的大，则认为正常，然后标签T用自己的SK计算

，即

，恢复出RSK，并进行验证，如果正确则通过对读写器R的认证，并保存DT，计算

，形成再次认证消息ZAM₃={

}发送给读写器R，作为对ZAM₂的应答。该应答也是零知识的，既确认正确的收到RSK，又证明T是整个认证会话的参与者。最后标签T自动更新标签内的参数：

，

。如果DT不正常或RSK无效，则认证失败，终止协议； 

7)  读写器R将ZAM₃转发给数据库DB；

8)  DB计算，与收到的

进行比较，如果相等则通过对标签T的认证，并销毁RSK。

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

metaID：是标签的ID经过Hash函数计算的结果值，即T和DB共享的ID假名

：秘密更新前的metaID

：秘密更新后的metaID

R₁ ：后端系统生成的随机数

R₂：标签生成的随机数

SK：会话密钥

RSK：随机会话密钥（Random Session Key,RSK）

DT：会话序号的时间戳（Date Timetamp,DT）

H(

)：单向Hash函数运算

：标签T传递给数据库DB的认证因子

ZAM₁：标签T传送给数据库DB的零知识认证消息

、：标签T在DB中的第一、二条记录

、：数据库DB传送给标签T的认证因子

ZAM₂：数据库DB传送给标签T的零知识认证消息

ZAM₃ ：标签T传送给数据库DB的零知识认证消息

：标签T传递给数据库DB的认证因子

：异或运算

||：级联运算

CRC( )：CRC校验函数

PRNG( )：随机数发生器(Pseudorandom Number Generator)

有益效果：使用该方案有如下优点：

1. 双向身份认证。后端数据库DB通过对读写器R转发来的哈希值与数据库中的标签T对应的标志信息的哈希运算进行验证，实现对标签合法性的验证，而标签T通过读写器R转发来的后端数据库系统DB的哈希值与自身存储的标志信息的哈希运算进行验证，可有效地防止未授权的读写器和假冒的标签参与认证会话，增加了认证的可靠性。

 2.密钥动态更新。能实时、动态的更新系统中的密钥、增强了抵抗主动攻击的能力。 

 3.防伪造。在该发明的认证过程中，标签T与数据库DB均以配对的参数进行身份认证，并且认证参数均通过Hash单向函数加密，保证只有持有正确参数的双方才能通过验证，攻击无法伪造身份。因此可以有效地防止假冒攻击。 

 4.抗重传攻击。在该发明中，每一次认证过程中都采用随机数密钥，且加密密钥每次认证后都进行更新，达到“一次一密”的效果，所以传输的认证消息具有随机性，并且每次认证过程中使用验证时间戳DT是标签与后端数据库系统共享的一致值，并且该值在传送过程中进行了Hash加密，因此，该协议可以有效地防止重传攻击。 

 5.零知识泄露。在没有泄露标签ID的情况下，实现读写器R和标签T之间的双向认证，并为以后的会话提供一次一换的随机会话密钥RSK和可以作为会话序号的时间戳DT,使得信息的拥有者可以在无需泄露秘密信息的情况下就能够向验证者证明它拥有该信息。 

 6.同步性。在本发明中，在数据库的存储记录中保存着更新前的会话密钥和更新后的随机会话密钥，即使攻击者破坏密钥的更新，下次仍能进行合法认证。 

 7.不可追踪性。在本发明中标签T的ID通过匿名的metaID来代替真实的身份，并且每次认证过程中采用随机数来破坏标签T的响应规律性，且攻击者很难获得加密后的随机数。 

 8.抗中间人攻击。在本发明中，认证和响应都是加密和基于零知识的，因此认证消息对于中间人是透明的，通过直接读取信息，攻击者只能知道读写器和标签在进行通信，而得不到任何秘密信息。即使攻击者转发标签的认证消息和再次认证消息而通过认证，但不可能获得随机会话密钥RSK，从而无法进行后续的会话。这样攻击者从截获的数据中获得重要信息。 

具体实施方式

本发明提供一种RFID系统中的双向认证方法，标签T 的ID采用匿名的方式进行传输，并分别进行加密传输，这种方式是ID信息不以明文方式进行传输，以匿名的方式传递标签的ID信息，可以有效地保护标签信息的不可追踪性。另外，本发明的实施例在数据同步的问题上提出标签询问式的通信方式，通过在数据库DB中存储随机会话密钥、以及数据库在得到标签对更新密钥请求的响应后再更新会话密钥的方法，提高了标签与数据库之间会话密钥的可靠性。 

以下结合实施例，描述本发明的具体实施方式。 

一：RFID系统初始化 

在RFID系统初始化时，每个标签和读写器分别拥有唯一的标识符metaID，读写器拥有所有的标签标识符；标签的的metaID是标签本身ID经过哈希计算的结果值。SK表示标签存储的会话密钥标签，即读写器和后台数据库拥有保密的共享密钥。

二：认证过程 

基于Hash的无线射频识别双向认证方法，认证步骤如下： 

(1)读写器询问请求：读写器R首先产生随机数R₁,并向标签T发送请求Query与随机数R₁。 

 (2)标签应答：标签T产生一个随机数R₂，使用自己的SK和metaID计算

，形成ZAM₁={ 

，R₁，R₂}发送给读写器R。 

(3)读写器认证标签：读写器通过安全信道将ZAM₁={ ，R₁，R₂}送给数据库。 

(4)数据库更新记录：后端数据库DB收到ZAM₁={ 

， R₁，R₂}，在后台数据库中查找已注册的标签记录，利用记录中的参数计算

，验证 

与是否匹配，若匹配，则DB完成对T的认证，同时找出匹配的记录或

，计算

或

，当

，则更新

，之后数据库产生RSK，计算，

，若

，则数据库不更新，计算

，

，计算

。最后，后端数据库DB给读写器发送消息ZAM₂=｛DT，

}致读写器R。其中，DT为时间戳，是后端数据库DB的系统时间或具有时间戳功能的随机数，用于防止重放攻击，并作为本次会话的序号，合法的标签T可以用

恢复出RSK，用

验证RSK的合法性，同时验证读写器R的合法性。否则，认证失败，终止协议。

(5)读写器R将ZAM₂转发给标签T。 

(6)标签认证读写器：标签T收到ZAM₂后，首先判断DT，如果比之前保存的大，则认为正常，然后标签T用自己的SK计算

，即

，恢复出RSK，并进行验证，如果正确则通过对读写器R的认证，并保存DT，计算

，形成再次认证消息ZAM₃={}发送给R，作为对ZAM₂的应答。该应答也是零知识的，既确认正确的收到RSK，又证明T是整个认证会话的参与者。最后标签T自动更新标签内的参数：

，

。如果DT不正常或RSK无效，则认证失败，终止协议。 

(7)读写器R将ZAM₃转发给数据库DB。 

(8)DB计算

，与收到的

进行比较，如果相等则通过对标签T的认证，并销毁RSK。为保证认证密钥的前向安全性，即攻击者不能从当前获取的密钥推算出之前通信采用的密钥，本发明的安全认证过程对标签的认证密钥进行实时更新。 

Claims (1)

1.一种基于哈希函数的无线射频识别双向认证方法，其特征在于该认证方法

是一种零知识泄露的无线射频识别RFID安全协议，具体步骤如下：

1) 读写器询问请求： 读写器R首先产生随机数R₁，并向标签T发送请求Query与随机数R₁ ；

2) 标签应答：标签T产生一个随机数R₂，使用自己的SK和metaID计算                                                

，形成ZAM₁={ ，R₁，R₂}发送给读写器R； 

3) 读写器认证标签：读写器通过安全信道将ZAM₁={ 

，R₁，R₂}发送给数据库；

4) 数据库更新记录：后端数据库DB收到ZAM₁={， R₁，R₂}，在后台数据库中查找已注册的标签记录，利用记录中的参数计算

，验证 与

是否匹配，若匹配，则DB完成对T的认证，同时找出匹配的记录

或

，计算或

，当

，则更新

，

之后数据库产生RSK，计算

，

，若，则数据库不更新，计算

，

，计算

；最后，后端数据库DB给读写器发送消息ZAM₂=｛DT，

}至读写器R；其中，DT为会话序号的时间戳，是后端数据库DB的系统时间或具有时间戳功能的随机数，用于防止重放攻击，并作为本次会话的序号，合法的标签T可以用

恢复出RSK，用验证RSK的合法性，同时验证读写器R的合法性；否则，认证失败，终止协议； 

5) 读写器R将ZAM₂转发给标签T；

6) 标签认证读写器：标签T收到ZAM₂后，首先判断DT，如果比之前保存的大，则认为正常，然后标签T用自己的SK计算

，即，恢复出RSK，并进行验证，如果正确则通过对读写器R的认证，并保存DT，计算，形成再次认证消息ZAM₃={

}发送给读写器R，作为对ZAM₂的应答；该应答也是零知识的，既确认正确的收到RSK，又证明T是整个认证会话的参与者，最后标签T自动更新标签内的参数：

，

；如果DT不正常或RSK无效，则认证失败，终止协议； 

7)  读写器R将ZAM₃转发给数据库DB；

8)  DB计算

，与收到的

进行比较，如果相等则通过对标签T的认证，并销毁RSK。