CN103078741B - 一种rfid双向认证协议方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种RFID双向认证协议方法，包括以下三个阶段：标签识别阶段，阅读器向标签发出请求，标签收到后，向阅读器返回假名<i>IDS</i>；双向认证阶段，阅读器识别<i>IDS</i>后，作相关于字合成运算的异或运算得到<i>A</i>、<i>B</i>并发送至标签，标签通过接收的<i>A</i>||<i>B</i>认证阅读器后，作相关计算得到<i>C</i>并发送给阅读器，阅读器对标签进行认证；更新阶段，阅读器验证<i>C</i>成功后，即更新其内部假名<i>IDS</i>和密钥<i>K</i>₁、<i>K</i>₂，随后计算<i>D</i><i>、</i><i>E</i>，并发送至标签，标签验证<i>E</i>通过后，更新其假名和密钥。本发明只存在简单的字合成及异或运算。由此产生这样的有益效果：能够有效降低标签的计算量和存储空间，并可抵抗假冒、重传、跟踪和拒绝服务等多种攻击，提供前向安全性。

Description

一种RFID双向认证协议方法

技术领域

本发明涉及射频识别及身份认证技术领域，尤其涉及一种RFID双向认证协议方法。

背景技术

RFID系统主要由标签、阅读器及后端数据库三部分组成，在RFID通信协议设计中，后端数据库和阅读器之间传输信道一般是安全的，不存在任何安全风险问题，可将它们视为协议一方，本发明中统称为阅读器或带有后端数据库的阅读器；而标签和阅读器之间无线传输信道是不安全的，存在多种潜在的攻击，可将标签视为协议另一方。同时，由于RFID系统本身硬件资源受到计算能力、存储空间和电源供给等诸多因素的限制，因而，安全、高效、低成本是设计RFID双向认证协议的主要要求。

传统的RFID认证协议效率低下、安全性差且开销较大，而只包含简单位运算的超轻量级认证协议，适用于低成本标签。目前，已有多种超轻量级认证协议被提出，比较典型的有LMAP协议、SASI协议。但这些协议仍存在各自的缺陷，大致可归纳为：1）认证性和数据完整性不强。2）不能抵抗重传、拒绝服务等攻击，不具前向安全性。3）标签需要较大的存储空间。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术之不足，提供安全性更高、成本更低的一种RFID双向认证协议方法。其具体技术方案如下：

所述方法，包括标签识别阶段、双向认证阶段和假名与密钥更新阶段，其中：

所述认证阶段：阅读器识别由标签发送的标签假名IDS后，生成随机数N₁，该随机数N₁与所述标签假名IDS对应的密钥K₁、K₂进行不同设定的相关于字合成运算的异或运算，分别得到A、B，并发送A||B至标签；

标签根据A||B，获取所述随机数N₁，用N₁与密钥K₁、K₂进行设定的相关于字合成运算的异或运算得到B’，若B’≠B，标签认证阅读器失败，协议终止，若B’＝B，则认证阅读器成功，对密钥K₁、K₂与随机数N₁进行设定的相关于字合成运算的异或运算，得到C，并将C返回给阅读器；

阅读器接收到C后，使用自身存储的密钥K₁、K₂和随机数N₁，进行相同于C的所述运算，获得C’，若C’≠C，阅读器认证标签失败，协议终止，若C’＝C，则认证标签成功；

所述更新阶段：阅读器成功认证标签后，生成随机数N₂并对标签假名IDS和密钥K₁、K₂进行更新，若更新后的标签假名IDS与数据库中一个标签假名IDS相同，则重新生成随机数N₂并进行对应的IDS和密钥K₁、K₂更新，直到数据库中原存储的各IDS不相同为止；

阅读器用随机数N₁、N₂与更新前的密钥K₁、K₂进行不同设定的相关于字合成运算的异或运算，分别得到D、E，并发送至标签；

标签接收所述信号并从中获取随机数N₂，用N₁、N₂进行相同于E的运算得到字E’，若E’≠E，标签内不进行更新，若E’=E，则对标签假名IDS和密钥K₁、K₂进行更新，丢弃原来使用的假名和密钥。

所述方法进一步的设计在于：所述相关字合成运算Syn(X,Y)定义为：具有L位的X、Y两二进制数组进行由Y的后M位与X的前L-M位的合成运算；所述M设定为Y的汉明重量Hw(Y)，或X的汉明重量Hw(X)，或X与Y的汉明距离Hd(X,Y)。

所述方法进一步的设计在于：所述得到A、B的相关于字合成运算的异或运算为：

；

。

所述方法进一步的设计在于：从A||B信号中获取的随机数N₁为：。

所述方法更进一步的设计在于：所述得到C的相关于字合成运算的异或运算为：。

所述方法更进一步的设计在于：所述阅读器对标签假名IDS和密钥K₁、K₂进行更新包括：将标签假名IDS和K₁、K₂作为旧标签假名IDS^old和旧密钥K₁ ^old,K₂ ^old存储于后端数据库，用N₁、N₂、IDS、K₁、K₂进行不同设定的相关于字合成运算的异或运算，分别得到新标签假名IDS^new和新密钥K₁ ^new、K₂ ^new并存储于所述数据库中，若当新签假名IDS^new与数据库中一个标签假名IDS相同，则必须重新生成随机数N₂，并按所述运算得到对应的新标签假名IDS^new和新密钥K₁ ^new,K₂ ^new，直到IDS^new与数据库中原存储的各IDS不相同为止。

所述方法更进一步的设计在于：所述得到的新标签假名IDS^new和新密钥K₁ ^new、K₂ ^ne的相关于字合成运算的异或运算分别为：

；

；

。

如果更新后的IDS^new与后端数据库中某个IDS相同，则必须重新生成N₂，再计算IDS^new，直到IDS^new与数据库中原存储的各IDS不同为止。

所述方法更进一步的设计在于：所述得到D、E的相关于字合成运算的异或运算为：

;

。

所述方法更进一步的设计在于：从D||E中获取的随机数N₂为：。

所述方法更进一步的设计在于：所述标签验证信息E后，更新并存储假名和密钥{IDS^new,K₁ ^new,K₂ ^new}，其计算方法与阅读器内计算方法相同，所涉及计算中的N₁、N₂采用分别从A、D中计算获取的N₁、N₂。

本发明定义了一种新的位运算——字合成Syn(X,Y)，并公开了一种与字合成运算相关的RFID双向认证协议。该协议方法只需字合成及异或两种位运算的支持，由此产生这样的有益效果：能够大大降低标签计算和存储需求，适用于低成本标签；在双向认证阶段，因为阅读器中含有伪随机数发生器，每次会话都会产生新的随机数，从而保证了数据的新鲜性，可有效抵抗假冒、重传及跟踪攻击；阅读器和标签认证消息B、C的计算都有随机数的参与，具有较强的认证性和数据完整性；在第三阶段阅读器加入了验证信息E，能保证阅读器与标签更新数据的同步性，即使最后标签未能验证E’=E，由于阅读器中存有标签的两组信息{IDS^new,K₁ ^new,K₂ ^new}和{IDS^old,K₁ ^old,K₂ ^old}，也能保证标签的前向安全性，抵抗拒绝服务(DoS)攻击。

附图说明

图1为本发明的字合成Syn(X,Y)具体运算过程

图2为本发明的协议流程

具体实施方式

下面结合附图及其实施例对本发明及其优点做进一步的说明。

为了适用于低成本标签，本发明最新定义了字合成运算Syn(X,Y)：Syn(X,Y)由数组Y的后M位与X的前L-M位组合而成的L位新数组。其中X、Y为字合成运算所需的两二进制数组，，，；其中的M设定为：M=Hw(Y)，也可为M=L-Hw(Y)；或M=Hw(X)，也可为M=L-Hw(X)；或M=Hd(X,Y)，也可为M=L-Hd(X,Y)；Hw(X)为X的汉明重量，Hw(Y)为Y的汉明重量,Hd(X,Y)为X与Y的汉明距离。

例如，取L=16，设X=1001110101100101，Y=0110101011011001，设定M=Hw(Y)=9，则根据上述字合成运算得到Syn(X,Y)=0110110011001110，具体运算过程如附图1所示。该运算只需移位及按位或(OR)运算即可实现，可有效降低标签的计算量和存储空间。

M上述其它设定的举例，不再一一列出，本领域技术人员完全可以依据本发明方法一一作出。

本实施例提供的双向认证协议方法是在每个标签内部存储该标签真正的身份标识ID、新标签假名IDS及新标签密钥K₁K₂，即{ID,IDS^new,K₁ ^new,K₂ ^new}，阅读器中存储各个标签的真正的ID、当前的新信息{IDS^new,K₁ ^new,K₂ ^new}及上一轮会话的旧信息{IDS^old,K₁ ^old,K₂ ^old}。协议流程包括三个阶段：标签识别阶段、双向认证阶段、假名和密钥更新阶段，请参见附图2，具体过程如下。

一、标签识别阶段

第一步：阅读器向标签发送请求信号“Hello”，初始化协议；

第二步：标签向阅读器返回IDS；

第三步：阅读器接收到IDS后，在后端数据库中进行搜索，若找到与之相同的假名，准备进入双向认证阶段；若未找到，阅读器再次发送请求，若仍未找到标签返回的IDS，则认为标签非法，协议终止。

二、双向认证阶段

第一步：阅读器在数据库中搜索与接收到的IDS相匹配的密钥{新密钥K₁ ^new,K₂ ^new或旧密钥K₁ ^old,K₂ ^old，阅读器后端数据库存储两组标签假名和密钥信息，一组是新标签假名、新密钥（IDS^new,K₁ ^new,K₂ ^new），一组是旧标签假名、旧密钥(IDS^old,K₁ ^old,K₂ ^old)。然后，阅读器生成随机数N₁，计算，，并发送A||B至标签；

第二步：标签接收到A||B后，首先用A获取随机数N₁，，然后用得到的N₁，计算，如果，则标签认证阅读器成功，计算，并将C返回给阅读器，如果，认证阅读器失败，协议终止；

第三步：阅读器接收到C后，利用自身存储的数据计算，若，则阅读器成功认证标签，准备进入假名和密钥更新阶段，而若，认证标签失败，协议终止。

三、假名和密钥更新阶段：

第一步：阅读器成功认证标签后，生成随机数N₂，并用其参与假名和密钥更新运算，，，，。如果更新后的IDS^new与数据库中其它某个IDS相同，则必须重新生成随机数N₂再计算IDS^new，直到IDS^new与数据库中原存储的各IDS不同为止，以确保IDS^new与标签真实ID是一一对应关系。

第二步：阅读器内更新标签假名与密钥结束后，用随机数N₁、N₂与更新前的密钥K₁、K₂，计算，，并将D||E发送至标签；

第三步：标签接收到D||E后，获取随机数N₂，，然后使用N₂计算，如果，标签内不进行更新，而若，则更新标签内假名和密钥，，，并丢弃原来使用的假名和密钥。

通过上述认证过程，阅读器与标签双方安全实现了双向认证，并且阅读器获取到了合法标签的详细信息。

上述运算中的“”是异或(XOR)运算；新定义的字合成运算Syn(X,Y)的X,Y是泛指的数组变量，代表上述运算中所有涉及的数组变量，例如；；等。

本发明在RFID双向认证协议中引入了字合成运算，并将协议中的运算设定为字合成和异或两种位运算，能够大大降低标签计算量和存储量，并可抵抗假冒、重传、跟踪和拒绝服务等多种攻击，提供前向安全性。

虽然本申请描述了本发明的一个实施例，但本领域普通技术人员可以在本发明的所提供的技术方案的基础上设计出一些本技术方案的变形。例如A、B相关于字合成运算的异或运算可设定为：

；

。

由此可类推出以后的各步骤运算，因此本申请的保护范围不局限于上述实施例。

Claims (8)

1.一种RFID双向认证协议方法，包括标签识别阶段、双向认证阶段和标签假名与密钥更新阶段，其特征在于：

所述认证阶段：阅读器识别由标签发送的假名IDS后，生成随机数N₁，该随机数N₁与所述标签假名IDS对应的密钥K₁、K₂进行不同设定的相关于字合成运算的异或运算，分别得到A、B，并发送A||B至标签；

标签根据A||B，获取所述随机数N₁，用N₁与密钥K₁、K₂进行设定的相关于字合成运算的异或运算得到B’，若B’≠B，标签认证阅读器失败，协议终止，若B’＝B，则认证阅读器成功，对密钥K₁、K₂与随机数N₁作设定的相关于字合成运算的异或运算，得到C，并将C返回给阅读器，所述相关于字合成运算Syn(X，Y)定义为：具有L位的X、Y两二进制数组进行由Y的后M位与X的前L-M位的合成运算；所述M设定为Y的汉明重量Hw(Y)，或X的汉明重量Hw(X)，或X与Y的汉明距离Hd(X，Y)，所述得到A、B的相关于字合成运算的异或运算为：

$A=Syn(K_1,K_2)\&CirclePlus;N_1;$

$B=Syn(K_1\&CirclePlus;K_2,N_1)\&CirclePlus;Syn(K_2,K_1):B^{,}=Syn(K_1\&CirclePlus;K_2,N_1)\&CirclePlus;Syn(K_2,K_1);$

阅读器接收到C后，使用自身存储的密钥K₁、K₂和随机数N₁，进行相同于C的所述运算，获得C’，若C’≠C，阅读器认证标签失败，协议终止，若C’＝C，则认证标签成功；

所述更新阶段：阅读器成功认证标签后，生成随机数N₂并对标签假名IDS和密钥K₁、K₂进行更新，若更新后的标签假名IDS与数据库中一个标签假名IDS相同，则重新生成随机数N₂并进行对应的IDS和密钥K₁、K₂更新，直到数据库中原存储的各IDS不相同为止；

阅读器用随机数N₁、N₂与更新前的密钥K₁、K₂进行不同设定的相关于字合成运算的异或运算，分别得到D、E，并发送D||E至标签；

标签接收所述D||E信号并从中获取随机数N₂，用N₁、N₂进行相同于E的运算得到E’，若E’≠E，标签内不进行更新，若E’＝E，则对标签假名IDS和密钥K₁、K₂进行更新，丢弃原来使用的假名和密钥。

2.根据权利要求1所述的一种RFID双向认证协议方法，其特征在于：从A||B信号中获取的随机数N₁为：

3.根据权利要求2所述的一种RFID双向认证协议方法，其特征在于：所述得到C的相关于字合成运算的异或运算为： $C=Syn(N_1\&CirclePlus;K_1,K_2)\&CirclePlus;Syn(K_1,N_1\&CirclePlus;K_2).$

4.根据权利要求3所述的一种RFID双向认证协议方法，其特征在于：所述阅读器对标签假名IDS和密钥K₁、K₂进行更新包括：将原标签假名IDS和K₁、K₂作为旧标签假名IDS^old和旧密钥K₁ ^old、K₂ ^old存储于后端数据库，用N₁、N₂、IDS、K₁、K₂进行不同设定的相关于字合成运算的异或运算，分别得到新标签假名IDS^new和新密钥K₁ ^new、K₂ ^new并存储于所述数据库中，若当新标签假名IDS^new与数据库中一个标签假名IDS相同，则必须重新生成随机数N₂，并按所述运算得到对应的新标签假名IDS^new和新密钥K₁ ^new、K₂ ^new，直到IDS^new与数据库中原存储的各IDS不相同为止。

5.根据权利要求4所述的一种RFID双向认证协议方法，其特征在于：所述得到的新标签假名IDS^new和新密钥K₁ ^new、K₂ ^new的相关于字合成运算的异或运算分别为：

${\mathrm{IDS}}^{new}=Syn(N_1\&CirclePlus;N_2,K_1)\&CirclePlus;Syn(N_2,N_1)\&CirclePlus;IDS;$

$K_1^{new}=Syn(N_2,K_1)\&CirclePlus;K_2;$

$K_2^{new}=Syn(N_1\&CirclePlus;N_2,K_2)\&CirclePlus;K_1.$

6.根据权利要求5所述的一种RFID双向认证协议方法，其特征在于：所述得到D、E的相关于字合成运算的异或运算为：

$D=Syn(K_1\&CirclePlus;K_2,N_1)\&CirclePlus;N_2;$

$E=Syn(N_1,N_2)\&CirclePlus;N_1\&CirclePlus;N_2.$

7.根据权利要求6所述的一种RFID双向认证协议方法，其特征在于：从D||E信号中获取的随机数N₂为：

8.根据权利要求7所述的一种RFID双向认证协议方法，其特征在于：所述标签验证信息E后，更新并存储新标签假名IDS^new和新密钥K₁ ^new、K₂ ^new，获得该新标签假名IDS^new和新密钥K₁ ^new、K₂ ^new的设定运算与阅读器内获得新标签假名IDS^new和新密钥K₁ ^new、K₂ ^new的设定运算相同。