CN103716164B - 一种超轻量级的rfid双向认证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超轻量级的RFID双向认证方法，属于RFID的技术领域，通过取反循环位移运算处理标签和后端数据库存储的数据，很好地隐藏了秘密数据。认证方法先进行标签认证，再进行互认证阶段，互认证成功后更新读写器、电子标签存储的信息，保证了前向安全性。电子标签存储的新旧认证信息，结合认证过程中利用新旧认证信息的密钥信息设计的抵抗重放攻击数据M，有效抵抗了非同步攻击和重放攻击。
Description
技术领域
本发明公开了一种超轻量级的RFID双向认证方法，属于RFID的技术领域。
背景技术
无线射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)是一种通过无线电讯号识别特定目标并可以读写相关数据的技术。在识别过程中，RFID技术无需人工视觉感知、识别距离远，并具有极强的适应恶劣工作环境的能力。目前RFID技术应用领域十分广泛，如电子护照、物流管理等。
典型的RFID系统由电子标签、读写器和后端数据库三部分构成。在RFID认证协议研究领域，认为读写器和后端数据库之间的信道是安全的。而由于无线传输的特点，读写器和电子标签间传输的数据，存在被攻击者篡改、窃听、重放等等安全隐患。读写器与标签之间的通信信道是不安全的。
在RFID技术的大部分应用领域中，标签的体积与存储容量都很小，对于低代价的RFID标签，只有数百位的存储空间和5K～10K的逻辑门，用于实现安全功能的资源更加紧缺。由此，一系列只使用计算代价低的运算方法的超轻量级RFID认证协议被提出。超轻量级认证协议保证了标签端用于认证过程的资源很少，但是目前的超轻量级认证协议，如：UMAP协议族、SASI协议、Gossamer协议、RAPP协议等均存在安全隐患。(1)UMAP协议族，通过截获、篡改协议认证过程中公开传输的数据等主动攻击手段，会造成非同步攻击和全泄漏攻击。(2)SASI协议会被不可追踪性模型攻破，不具备不可追踪性。(3)Gossamer协议存在非同步更新的安全隐患。(4)RAPP协议会受到非同步攻击和全泄漏攻击。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种超轻量级的RFID双向认证方法。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种超轻量级的RFID双向认证方法，利用按位运算RR(X,Y)处理相同比特位数的操作数X、Y来计算RFID双向认证过程中电子标签与后端数据库之间传输的信息，所述按位运算RR(X,Y)对取反后的操作数X进行循环位移操作，位移数由Y确定，具体包括如下步骤：
步骤1，待认证电子标签tag在接收到读写器发出的认证请求后，对存储的当前轮认证过程的密钥信息K1current、K2current以及前一轮认证过程的密钥信息K1old、K2old进行运算RR(K1current+K2current,K1old+K2old)操作，得到抵抗重放攻击数据M；
步骤2，待认证电子标签根据当前轮认证过程中标签的动态假名以及随机数IDScurrent、Rcurrent，将计算的IDScurrent||(M+Rcurrent)发送给读写器，并转发至后端数据库，后端数据库在所有电子标签信息中查找与IDScurrent相匹配的电子标签信息记录：
当后端数据库中存在与待认证的电子标签应答IDScurrent相匹配的标签假名信息时，表明标签认证阶段成功，
标签在之后认证过程中使用的假名信息、密钥信息、随机数记为：IDStag，K1tag、K2tag，Rtag，将电子标签存储的当前轮认证过程中的假名信息、密钥信息、随机数分别赋值给IDStag，K1tag、K2tag，Rtag，
后端数据库利用从待认证标签接收到的IDScurrent匹配到对应的标签记录，将对应标签记录中的假名信息、密钥信息、随机数记为IDSdb，K1db、K2db，Rdb，其中IDSdb与IDStag相等，K1db与K1tag相等，K2db与K2tag相等，Rdb与Rtag相等，
进入步骤4；
否则，进入步骤3；
步骤3，读写器重新向待认证电子标签发送认证请求，待认证电子标签在接收到认证请求后，根据前一轮认证过程中标签的动态假名以及随机数IDSold、Rold，将计算的IDSold||(M+Rold)发送给读写器，后端数据库在其存储的所有电子标签中查找与IDSold相匹配的电子标签：
当后端数据库中存在与待认证的电子标签应答IDSold相匹配的标签假名信息时，表明标签认证阶段成功，
标签在之后认证过程中使用的假名信息、密钥信息、随机数记为：IDStag，K1tag、K2tag，Rtag，将电子标签存储的前一轮认证过程中的假名信息、密钥信息、随机数分别赋值给IDStag，K1tag、K2tag，Rtag，
后端数据库利用从待认证标签接收到的IDSold匹配到对应的标签记录，将对应标签记录中的假名信息、密钥信息、随机数记为IDSdb，K1db、K2db，Rdb，其中IDSdb与IDStag相等，K1db与K1tag相等，K2db与K2tag相等，Rdb与Rtag相等，
进入步骤4；
否则，标签认证阶段失败，结束认证过程；
步骤4，开始标签与读写器的互认证：
后端数据库产生新随机数r，利用标签认证阶段后端数据库匹配的信息，计算供标签计算新随机数、认证读写器的数据A、B，A=RR(K2db+r+IDSdb，K1db)+K2db，B=RR(IDSdb+K1db+K2db,r)+K1db，再由接收的M+Rtag与匹配的随机数Rdb之差计算M，根据M计算并发送RR(A,M)||RR(B,M)；
步骤5，读写器发送后端数据库计算的RR(A,M)||RR(B,M)给待认证电子标签，待认证电子标签进行逆运算解得供标签计算新随机数、认证读写器的数据A、B后，由供标签计算新随机数的数据A解得后端数据库中产生的随机数r’，再利用r’根据计算B的方法计算B’；
若B与B’相等，标签对读写器认证成功；
否则，标签对读写器认证失败，结束认证过程；
步骤6，电子标签计算供读写器认证标签的数据C并发送至读写器：
C=RR(K1tag+K2tag,RR(IDStag,IDtag+r’)+r’)，其中，IDtag为标签中存储的标签的唯一标识，
此时，电子标签进入更新阶段，利用标签认证阶段匹配到的标签信息对前一轮认证过程中的标签信息进行覆盖，
再使用下式更新当前轮认证过程中的标签的信息：
IDScurrent=RR(IDStag,r’)+K1tag+K2tag，
K1current=RR(K1tag,r’+K1tag)+K2tag，
K2current=RR(K2tag,r’+K2tag)+K1current+K2tag，
Rcurrent=r’，
步骤7，读写器反馈C至后端数据库，后端数据库根据标签计算C的方法计算C’，C’=RR(K1db+K2db,RR(IDSdb,IDdb+r)+r)，其中，IDdb为后端数据库中存储的待认证标签的唯一标识，
若C与C’相等，读写器对标签认证成功，互认证阶段完成，RFID双向认证成功；
否则，读写器对标签认证失败，结束认证过程；
步骤8，后端数据库中对匹配到的标签信息进行更新：
IDSdb=RR(IDSdb,r)+K1db+K2db，
K1db=RR(K1db,r+K1db)+K2db，
K2db=RR(K2db,r+K2db)+K1db+K2db，
Rdb=r。
作为超轻量级的RFID双向认证方法的进一步优选方案，所述按位运算RR(X，Y)：记录Y各比特位数值为1的比特位序号，将操作数X中与记录的比特位序号对应比特位数值取反；再以操作数Y的数值模其数据长度作为循环左移位数，对按位取反操作后的操作数X进行循环左移的运算。
作为超轻量级的RFID双向认证方法的进一步优选方案，所述按位运RR(X，Y)：记录Y各比特位数值为0的比特位序号，将操作数X中与记录的比特位序号对应比特位数值取反；再以操作数Y的汉明重量作为循环右移位数，对按位取反操作后的操作数X进行循环右移的运算。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)对认证信息进行的取反循环位移操作，很好地隐藏了秘密数据，当攻击者篡改公开传输的数据，必然不会通过标签、读写器的双向认证；
(2)在读写器、电子标签互认证成功后，都会进行更新操作，保证了前向安全性；
(3)电子标签存储连续两轮认证信息，结合认证过程中公开数据的运算加入的新、旧密钥信息元素，确保了每轮认证过程传输数据的差异性，有效抵抗了非同步攻击和重放攻击。
附图说明
图1为第一种取反循环位移操作的示意图。
图2为第二种取反循环位移操作的示意图。
图3为本发明RFID双向认证的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
本发明涉及的按位运算RR(X，Y)旨在隐藏秘密数据，对X进行取反后，按照Y确定的位移数对取反后的X进行位移操作。下面给出两个可用于本发明的按位运算RR(X，Y)例子。
（一）按位运算RR(X，Y)：记录Y各比特位数值为1的比特位序号n1,n2,...,nk，将操作数X中与记录的比特位序号n1,n2,...,nk对应比特位,...,数值取反，记按位取反后的操作数X为X’：
X’=Reverse(X，Y)；
再以操作数Y的数值模其数据长度作为循环左移位数，对X’进行循环左移的运算：
RR(X,Y)=Rot(X’，Y)。
以两个8bit长度的数据X=00101101，Y=01110001为例。Y数据的第2、3、4、8位为1，则将X数据对应的位置上的值取反，得到的中间数据记为X’。然后以数据长度为模数，对Y的值做模运算，得到的结果为X’需要循环左移的位数。图1中，Y的值为113，模8后得1，所以需要循环向左移动1位，得到最终结果。
（二）按位运算RR2(X，Y)：记录Y各比特位数值为0的比特位序号n1,n2,...,nk，将操作数X中与记录的比特位序号n1,n2,...,nk对应比特位,...,数值取反，记按位取反后的操作数X为X’：
X’=Reverse2(X，Y)；
再以操作数Y的汉明重量作为循环右移位数，对X’进行循环右移的运算：RR(X,Y)=Rot2(X’，Y)。
以两个8bit长度的数据X=00101101，Y=01110001为例。Y数据的第1、5、6、7位为0，则将X数据对应的位置上的值取反，得到的中间数据记为X’。然后以数据Y的汉明重量为X’需要循环右移的位数。图2中，Y的汉明重量为4，所以需要循环向右移动4位，得到最终结果。
这里只是给出了两种取反循环位移操作的例子，凡是旨在隐藏秘密信息的对取反后操作数按照Y确定的位移数进行循环位移操作的按位运算都落入本发明的保护范围。
本发明中出现的||为连接运算符号，+为模2加法运算符号。
RFID双向认证方法，运用到按位运算RR(X，Y)的，操作数X、Y的数值由电子标签与后端数据库存储的信息确定，如图3所示具体包括如下步骤：
步骤1，待认证电子标签tag在接收到读写器发出的认证请求后，对存储的当前轮认证过程的密钥信息K1current、K2current以及前一轮认证过程的密钥信息K1old、K2old进行运算RR(K1current+K2current,K1old+K2old)操作，得到抵抗重放攻击数据M。待认证电子标签存储的当前轮认证过程的信息包括：假名信息IDScurrent，密钥信息K1current、K2current，随机数Rcurrent，前一轮认证过程的信息包括假名信息IDSold，密钥信息K1old、K2old，随机数Rold。
步骤2，待认证电子标签根据当前轮认证过程中标签的动态假名以及随机数IDScurrent、Rcurrent，将计算的IDScurrent||(M+Rcurrent)发送给读写器，并转发至后端数据库，后端数据库在所有电子标签信息中查找与IDScurrent相匹配的电子标签信息记录：
当后端数据库中存在与待认证的电子标签应答IDScurrent相匹配的标签假名信息时，表明标签认证阶段成功，
标签在之后认证过程中使用的假名信息、密钥信息、随机数记为：IDStag，K1tag、K2tag，Rtag，将电子标签存储的当前轮认证过程中的假名信息、密钥信息、随机数分别赋值给IDStag，K1tag、K2tag，Rtag，
后端数据库利用从待认证标签接收到的IDScurrent匹配到对应的标签记录，将对应标签记录中的假名信息、密钥信息、随机数记为IDSdb，K1db、K2db，Rdb，其中IDSdb与IDStag相等，K1db与K1tag相等，K2db与K2tag相等，Rdb与Rtag相等，
进入步骤4；
否则，进入步骤3。
步骤3，读写器重新向待认证电子标签发送认证请求，待认证电子标签在接收到认证请求后，根据前一轮认证过程中标签的动态假名以及随机数IDSold、Rold，将计算的IDSold||(M+Rold)发送给读写器，后端数据库在其存储的所有电子标签中查找与IDSold相匹配的电子标签：
当后端数据库中存在与待认证的电子标签应答IDSold相匹配的标签假名信息时，表明标签认证阶段成功，
标签在之后认证过程中使用的假名信息、密钥信息、随机数记为：IDStag，K1tag、K2tag，Rtag，将电子标签存储的前一轮认证过程中的假名信息、密钥信息、随机数分别赋值给IDStag，K1tag、K2tag，Rtag，
后端数据库利用从待认证标签接收到的IDSold匹配到对应的标签记录，将对应标签记录中的假名信息、密钥信息、随机数记为IDSdb，K1db、K2db，Rdb，其中IDSdb与IDStag相等，K1db与K1tag相等，K2db与K2tag相等，Rdb与Rtag相等，
进入步骤4；
否则，标签认证阶段失败，结束认证过程。
步骤4，开始标签与读写器的互认证：
后端数据库产生新随机数r，利用标签认证阶段后端数据库匹配的信息，计算供标签计算新随机数、认证读写器的数据A、B，A=RR(K2db+r+IDSdb，K1db)+K2db，B=RR(IDSdb+K1db+K2db,r)+K1db，再由接收的M+Rtag与匹配的随机数Rdb之差计算M，根据M计算并发送RR(A,M)||RR(B,M)。
步骤5，读写器发送后端数据库计算的RR(A,M)||RR(B,M)给待认证电子标签，待认证电子标签进行逆运算解得供标签计算新随机数、认证读写器的数据A、B后，由供标签计算新随机数的数据A解得后端数据库中产生的随机数r’，再利用r’根据计算B的方法计算B’。
若B与B’相等，标签对读写器认证成功；
否则，标签对读写器认证失败，结束认证过程；
步骤6，电子标签计算供读写器认证标签的数据C并发送至读写器：
C=RR(K1tag+K2tag,RR(IDStag,IDtag+r’)+r’)，其中，IDtag为标签中存储的标签的唯一标识，
此时，电子标签进入更新阶段，利用标签认证阶段匹配到的标签信息对前一轮认证过程中的标签信息进行覆盖，
再使用下式更新当前轮认证过程中的标签的信息：
IDScurrent=RR(IDStag,r’)+K1tag+K2tag，
K1current=RR(K1tag,r’+K1tag)+K2tag，
K2current=RR(K2tag,r’+K2tag)+K1current+K2tag，
Rcurrent=r’。
步骤7，读写器反馈C至后端数据库，后端数据库根据标签计算C的方法计算C’，C’=RR(K1db+K2db,RR(IDSdb,IDdb+r)+r)，其中，IDdb为后端数据库中存储的待认证标签的唯一标识，
若C与C’相等，读写器对标签认证成功，互认证阶段完成，RFID双向认证成功；
否则，读写器对标签认证失败，结束认证过程；
步骤8，后端数据库中对匹配到的标签信息进行更新：
IDSdb=RR(IDSdb,r)+K1db+K2db，
K1db=RR(K1db,r+K1db)+K2db，
K2db=RR(K2db,r+K2db)+K1db+K2db，
Rdb=r。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
(1)对认证信息进行的取反循环位移操作，很好地隐藏了秘密数据，当攻击者篡改公开传输的数据，必然不会通过标签、读写器的双向认证；
(2)在读写器、电子标签互认证成功后，都会进行更新操作，保证了前向安全性；
(3)电子标签存储连续两轮认证信息，结合认证过程中公开数据的运算加入的新、旧密钥信息元素，确保了每轮认证过程传输数据的差异性，有效抵抗了非同步攻击和重放攻击。
Claims (3)
1.一种超轻量级的RFID双向认证方法，其特征在于：利用按位运算RR(X,Y)处理相同比特位数的操作数X、Y来计算RFID双向认证过程中电子标签与后端数据库之间传输的信息，所述按位运算RR(X,Y)对取反后的操作数X进行循环位移操作，位移数由Y确定，具体包括如下步骤：
步骤1，待认证电子标签tag在接收到读写器发出的认证请求后，对存储的当前轮认证过程的密钥信息K1current、K2current以及前一轮认证过程的密钥信息K1old、K2old进行运算RR(K1current+K2current,K1old+K2old)操作，得到抵抗重放攻击数据M；
步骤2，待认证电子标签根据当前轮认证过程中标签的动态假名IDScurrent以及随机数Rcurrent，将计算的IDScurrent||(M+Rcurrent)发送给读写器，并转发至后端数据库，后端数据库在所有电子标签信息中查找与IDScurrent相匹配的电子标签信息记录：
当后端数据库中存在与待认证的电子标签应答IDScurrent相匹配的标签假名信息时，表明标签认证阶段成功，
标签在之后认证过程中使用的假名信息、密钥信息、随机数记为：IDStag，K1tag、K2tag，Rtag，将电子标签存储的当前轮认证过程中的假名信息、密钥信息、随机数分别赋值给IDStag，K1tag、K2tag，Rtag，
后端数据库利用从待认证标签接收到的IDScurrent匹配到对应的标签记录，将对应标签记录中的假名信息、密钥信息、随机数记为IDSdb，K1db、K2db，Rdb，其中，IDSdb与IDStag相等，K1db与K1tag相等，K2db与K2tag相等，Rdb与Rtag相等，
进入步骤4；
否则，进入步骤3；
步骤3，读写器重新向待认证电子标签发送认证请求，待认证电子标签在接收到认证请求后，根据前一轮认证过程中标签的动态假名IDSold以及随机数Rold，将计算的IDSold||(M+Rold)发送给读写器，后端数据库在其存储的所有电子标签中查找与IDSold相匹配的电子标签：
当后端数据库中存在与待认证的电子标签应答IDSold相匹配的标签假名信息时，表明标签认证阶段成功，
标签在之后认证过程中使用的假名信息、密钥信息、随机数记为：IDStag，K1tag、K2tag，Rtag，将电子标签存储的前一轮认证过程中的假名信息、密钥信息、随机数分别赋值给IDStag，K1tag、K2tag，Rtag，
后端数据库利用从待认证标签接收到的IDSold匹配到对应的标签记录，将对应标签记录中的假名信息、密钥信息、随机数记为IDSdb，K1db、K2db，Rdb，其中，IDSdb与IDStag相等，K1db与K1tag相等，K2db与K2tag相等，Rdb与Rtag相等，
进入步骤4；
否则，标签认证阶段失败，结束认证过程；
步骤4，开始标签与读写器的互认证：
后端数据库产生新随机数r，利用标签认证阶段后端数据库匹配的信息，计算供标签计算新随机数的数据A、认证读写器的数据B，A＝RR(K2db+r+IDSdb，K1db)+K2db，B＝RR(IDSdb+K1db+K2db,r)+K1db，再由接收的M+Rtag与匹配的随机数Rdb之差计算M，根据M计算并发送RR(A,M)||RR(B,M)；
步骤5，读写器发送后端数据库计算的RR(A,M)||RR(B,M)给待认证电子标签，待认证电子标签进行逆运算解得供标签计算新随机数的数据A、认证读写器的数据B后，由供标签计算新随机数的数据A解得后端数据库中产生的随机数r’，再利用r’根据计算B的方法计算B’；
若B与B’相等，标签对读写器认证成功；
否则，标签对读写器认证失败，结束认证过程；
步骤6，电子标签计算供读写器认证标签的数据C并发送至读写器：
C＝RR(K1tag+K2tag,RR(IDStag,IDtag+r’)+r’)，其中，IDtag为标签中存储的标签的唯一标识，
此时，电子标签进入更新阶段，利用标签认证阶段匹配到的标签信息对前一轮认证过程中的标签信息进行覆盖，
再使用下式更新当前轮认证过程中的标签的信息：
IDScurrent＝RR(IDStag,r’)+K1tag+K2tag，
K1current＝RR(K1tag,r’+K1tag)+K2tag，
K2current＝RR(K2tag,r’+K2tag)+K1current+K2tag，
Rcurrent＝r’，
步骤7，读写器反馈C至后端数据库，后端数据库根据标签计算C的方法计算C’，C’＝RR(K1db+K2db,RR(IDSdb,IDdb+r)+r)，其中，IDdb为后端数据库中存储的待认证标签的唯一标识，
若C与C’相等，读写器对标签认证成功，互认证阶段完成，RFID双向认证成功；
否则，读写器对标签认证失败，结束认证过程；
步骤8，后端数据库中对匹配到的标签信息进行更新：
IDSdb＝RR(IDSdb,r)+K1db+K2db，
K1db＝RR(K1db,r+K1db)+K2db，
K2db＝RR(K2db,r+K2db)+K1db+K2db，
Rdb＝r。
2.根据权利要求1所述的超轻量级的RFID双向认证方法，其特征在于所述按位运算RR(X，Y)：记录Y各比特位数值为1的比特位序号，将操作数X中与记录的比特位序号对应比特位数值取反；再以操作数Y的数值模其数据长度作为循环左移位数，对按位取反操作后的操作数X进行循环左移的运算。
3.根据权利要求1所述的超轻量级的RFID双向认证方法，其特征在于所述按位运算RR(X，Y)：记录Y各比特位数值为0的比特位序号，将操作数X中与记录的比特位序号对应比特位数值取反；再以操作数Y的汉明重量作为循环右移位数，对按位取反操作后的操作数X进行循环右移的运算。
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2013
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Patent Citations (3)
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Also Published As
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|---|---|
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