CN104112106A - 一种基于物理不可克隆的rfid轻量级认证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法，使用PUF函数、线性反馈移位寄存器LFSR、异或运算进行处理，标签硬件需求小，成本较低，运算量小，能够抵抗重放攻击，假冒攻击，消息阻止攻击，同步攻击、窃听攻击、物理攻击、标签克隆等多种攻击，能有效的实现了前向安全，保护了用户的隐私。同时，通过标签与阅读器之间的双向认证，实现效率与安全之间的平衡，很好地兼顾了硬件成本，适合低成本标签使用，具有较大的实用性。

Description

一种基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法。
背景技术
PUF(Physical Unclonable Function物理不可克隆函数)是一组微型延迟电路，当它接受一个输入，利用其不可避免的内在物理构造的随机差异，生成一个不可预测的响应。由于PUF芯片在制造过程中的光刻、掺杂等环节所产生的差异本身具有不可模仿和复制的特性，所以即使是芯片制造商也不可能复制出一模一样的PUF芯片。
LFSR(Linear Feedback Shift Register线性反馈移位寄存器)是一种用来生成二进制序列的机制，由移位寄存器和异或单元组成，一般门电路数量为300个。
RFID(Radio Frequency Identification射频识别)是一种利用射频信号或空间耦合及反射的传输特性进行非接触通信的自动识别技术。RFID技术作为新兴物联网的支撑技术之一，近年来被广泛应用于物体识别和数据采集领域。RFID技术与传统的识别技术(例如条形码，IC卡等)相比，具有快速高效、可靠、不需要物理接触、识别距离远、可存信息量大、抗恶劣环境和使用寿命长等优点。
随着RFID技术应用的越来越广泛，其安全问题也日益突出。传统方案中的RFID轻量级认证方法，为了达到一定的安全性，硬件需求都比较大。而现在提出的一些基于PUF的协议，对硬件需求的确是比较少，但大都存在各种各样的问题，比如抵抗不了重放攻击，假冒攻击，消息阻止攻击，同步攻击等，也实现不了前向安全等隐私保护。
因此，基于RFID系统资源的限制和自身的特点，设计一个高效安全的RFID认证方法依然是一个热门和具有挑战性的课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法，引入PUF函数及线性反馈移位寄存器LFSR，实现双向认证，安全性、实用性高。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法，包括：
S1：阅读器向标签发送认证请求；
S2：标签接收认证请求，并向阅读器发送标签的快速查询标识IDS’；
S3：阅读器接收IDS’，查找是否存在合法标签的信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中IDS与IDS’一致，
如一致，提取信息元组中的ID、Gn、Gn+1，生成随机数r，计算并发送ID⊕Gn⊕r和Gn+1⊕r至标签，其中，ID为标签的唯一标识，Gn为PUF函数生成的参数，Gn+1＝P(Gn)，P函数为PUF函数；
S4：标签接收ID⊕Gn⊕r和Gn+1⊕r，根据标签自身存储的Gn’计算P(Gn’)，把P(Gn’)与Gn+1⊕r进行异或操作，得到r’，并将r’、Gn’与ID⊕Gn⊕r进行异或操作，判断r’、Gn’与ID⊕Gn⊕r进行异或操作的结果和标签自身存储的ID’是否一致，如一致，则标签通过对阅读器的认证，计算Gn+1’＝P(Gn’)、Gn+2’＝P(Gn+1’)、Kn＝F(Gn’)、Kn+2＝F(Gn+2’)，计算并发送Gn+1'⊕Gn+2'⊕Kn⊕r'和Gn+2'⊕Kn+2至阅读器，其中，F函数为LFSR，如不一致，则通信结束；
S5：阅读器接收Gn+1'⊕Gn+2'⊕Kn⊕r'和Gn+2'⊕Kn+2，根据阅读器自身存储的Gn计算F(Gn)，将F(Gn)、阅读器自身存储的r、阅读器自身存储的Gn+1与Gn+1'⊕Gn+2'⊕Kn⊕r'进行异或操作，得到Gn+2，将Gn+2与F(Gn+2)进行异或操作，判断Gn+2与F(Gn+2)进行异或操作的结果和阅读器接收的Gn+2'⊕Kn+2是否一致，如一致，则阅读器通过对标签的认证，如不一致，则通信结束。
作为上述方案的改进，阅读器从阅读器自身的数据库中查找是否存在合法标签的信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中IDS与IDS’一致。
作为上述方案的改进，阅读器通过伪随机数发生器生成随机数r。
作为上述方案的改进，步骤S4中，标签通过对阅读器的认证后，标签更新自身的信息元组(IDS’，ID’，Gn’)中的IDS’和Gn’，使IDS'＝F(IDS'⊕Gn')，Gn’＝Gn+1’。
作为上述方案的改进，步骤S5中，阅读器通过对标签的认证后，阅读器更新自身的标签信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中的IDS、Gn和Gn+1，使IDS＝F(IDS⊕Gn)，Gn＝Gn+1，Gn+1＝Gn+2。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法中，标签端使用了物理不可克隆函数PUF和线性反馈移位寄存器LFSR，标签硬件需求小，成本较低，运算量小。能够抵抗重放攻击，假冒攻击，消息阻止攻击，同步攻击、窃听攻击、物理攻击、标签克隆等多种攻击。能有效的实现了前向安全，保护了用户的隐私。同时，通过标签与阅读器之间的双向认证，实现效率与安全之间的平衡，很好地兼顾了硬件成本，适合低成本标签使用，具有较大的实用性。
附图说明
图1是本发明一种基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法的示意图；
图2是本发明一种基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1及图2所示，基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法包括：
S1：阅读器向标签发送认证请求REQ。
S2：标签接收认证请求REQ，并向阅读器发送标签的快速查询标识IDS’。
需要说明的是，标签内存储自身的信息元组(IDS’，ID’，Gn’)，一个标签对应唯一的信息元组；阅读器内存储每一个合法标签的信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)，一个阅读器可对应多个合法标签的信息元组。
同时，标签内集成了PUF模块P与LFSR模块F，能进行异或运算。阅读器内集成了与标签同样的LFSR模块F，也能进行异或运算。
相应地，
IDS：标签的快速查询标识。
ID：标签的唯一标识。
Gn：Gn是由PUF函数生成的参数，其中Gn+1＝P(Gn)，Gn+2＝P(Gn+2)。
P：P函数是一个物理不可克隆函数，即PUF函数。
F：F函数是一个线性反馈移位寄存器，即LFSR。
r：阅读器产生的随机数。
⊕：⊕表示异或运算。
标签接收到认证请求REQ后，提取自身的信息元组(IDS’，ID’，Gn’)中的IDS’，并将IDS’发送至阅读器，作为对认证请求REQ的响应。
S3：阅读器接收IDS’，查找是否存在合法标签的信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中IDS与IDS’一致，如一致，提取信息元组中的ID、Gn、Gn+1，生成随机数r，计算并发送ID⊕Gn⊕r和Gn+1⊕r至标签。
阅读器根据接收到的IDS’，查找是否有某个合法标签的信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中的IDS与接收到IDS’的相等。若找到相等，则从所述信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中提取ID、Gn、Gn+1，然后产生一个随机数r，计算ID⊕Gn⊕r和Gn+1⊕r，并把ID⊕Gn⊕r和Gn+1⊕r发送至标签。
更佳地，阅读器从阅读器自身的数据库中查找是否存在合法标签的信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中IDS与IDS’一致。即阅读器从自身数据库中查找是否有某个合法标签的信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中的IDS与接收到IDS’的相等。
更佳地，阅读器通过伪随机数发生器生成随机数r。
需要说明的是，阅读器内集成了一个伪随机数发生器，可利用伪随机数发生器产生随机数r。
因此，阅读器根据接收到的IDS’，从自身数据库中查找是否有某个合法标签的信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中的IDS与接收到IDS’的相等。若找到相等的，则从所述信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中提取ID、Gn、Gn+1，然后利用伪随机数发生器产生一个随机数r，计算ID⊕Gn⊕r和Gn+1⊕r，并把ID⊕Gn⊕r和Gn+1⊕r发送至标签。
S4：标签接收ID⊕Gn⊕r和Gn+1⊕r，根据标签自身存储的Gn’计算P(Gn’)，把P(Gn’)与Gn+1⊕r进行异或操作，得到r’，并将r’、Gn’与ID⊕Gn⊕r进行异或操作，判断r’、Gn’与ID⊕Gn⊕r进行异或操作的结果和标签自身存储的ID’是否一致。如一致，则标签通过对阅读器的认证，计算Gn+1’＝P(Gn’)、Gn+2’＝P(Gn+1’)、Kn＝F(Gn’)、Kn+2＝F(Gn+2’)，计算并发送Gn+1'⊕Gn+2'⊕Kn⊕r'和Gn+2'⊕Kn+2至阅读器，其中，F函数为LFSR；如不一致，则通信结束。
需要说明的是，标签接收到ID⊕Gn⊕r和Gn+1⊕r后，先利用自身存储的Gn’计算P(Gn’)，把P(Gn’)与接收到的Gn+1⊕r异或从而得到r’。接着，标签利用得到的r’和自身存储的Gn’，与接收到的ID⊕Gn⊕r进行异或。
如r’、Gn’与ID⊕Gn⊕r进行异或操作所得到的结果和标签自身存储的ID’一致，则标签通过对阅读器的认证，标签计算Gn+1’＝P(Gn’)、Gn+2’＝P(Gn+1’)、Kn＝F(Gn’)、Kn+2＝F(Gn+2’)，然后计算并且发送Gn+1'⊕Gn+2'⊕Kn⊕r'和Gn+2'⊕Kn+2至阅读器。
如r’、Gn’与ID⊕Gn⊕r进行异或操作所得到的结果和标签自身存储的ID’不一致，则通信结束。
相应地，步骤S4中，标签通过对阅读器的认证后，标签更新自身的信息元组(IDS’，ID’，Gn’)中的IDS’和Gn’，使IDS'＝F(IDS'⊕Gn')，Gn’＝Gn+1’。
S5：阅读器接收Gn+1'⊕Gn+2'⊕Kn⊕r'和Gn+2'⊕Kn+2，根据阅读器自身存储的Gn计算F(Gn)，将F(Gn)、阅读器自身存储的r、阅读器自身存储的Gn+1与Gn+1'⊕Gn+2'⊕Kn⊕r'进行异或操作，得到Gn+2，将Gn+2与F(Gn+2)进行异或操作，判断Gn+2与F(Gn+2)进行异或操作的结果和阅读器接收的Gn+2'⊕Kn+2是否一致，如一致，则阅读器通过对标签的认证，如不一致，则通信结束。
需要说明的是，阅读器接收到来自标签的Gn+1'⊕Gn+2'⊕Kn⊕r'和Gn+2'⊕Kn+2后，计算F(Gn)，然后利用F(Gn)、自身存储的r和Gn+1这3个数据与Gn+1'⊕Gn+2'⊕Kn⊕r'异或得到Gn+2。然后利用计算得到的Gn+2来计算Gn+2⊕F(Gn+2)。
如Gn+2⊕F(Gn+2)与从标签接收的Gn+2'⊕Kn+2一致，则阅读器通过对标签的认证。
如Gn+2⊕F(Gn+2)与从标签接收的Gn+2'⊕Kn+2不一致，则通信结束。
相应地，步骤S5中，阅读器通过对标签的认证后，阅读器更新自身的标签信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中的IDS、Gn和Gn+1，使IDS＝F(IDS⊕Gn)，Gn＝Gn+1，Gn+1＝Gn+2。
由上可知，本发明基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法中，标签端使用了物理不可克隆函数PUF和线性反馈移位寄存器LFSR，标签硬件需求小，成本较低，运算量小；能够抵抗重放攻击，假冒攻击，消息阻止攻击，同步攻击、窃听攻击、物理攻击、标签克隆等多种攻击；能有效的实现了前向安全，保护了用户的隐私。同时，通过标签与阅读器之间的双向认证，实现效率与安全之间的平衡，很好地兼顾了硬件成本，适合低成本标签使用，具有较大的实用性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法，其特征在于，包括：
S1：阅读器向标签发送认证请求；
S2：标签接收认证请求，并向阅读器发送标签的快速查询标识IDS’；
S3：阅读器接收IDS’，查找是否存在合法标签的信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中IDS与IDS’一致，
如一致，提取信息元组中的ID、Gn、Gn+1，生成随机数r，计算并发送ID⊕Gn⊕r和Gn+1⊕r至标签，其中，ID为标签的唯一标识，Gn为PUF函数生成的参数，Gn+1＝P(Gn)，P函数为PUF函数；
S4：标签接收ID⊕Gn⊕r和Gn+1⊕r，根据标签自身存储的Gn’计算P(Gn’)，把P(Gn’)与Gn+1⊕r进行异或操作，得到r’，并将r’、Gn’与ID⊕Gn⊕r进行异或操作，判断r’、Gn’与ID⊕Gn⊕r进行异或操作的结果和标签自身存储的ID’是否一致，
如一致，则标签通过对阅读器的认证，计算Gn+1’＝P(Gn’)、Gn+2’＝P(Gn+1’)、Kn＝F(Gn’)、Kn+2＝F(Gn+2’)，计算并发送Gn+1'⊕Gn+2'⊕Kn⊕r'和Gn+2'⊕Kn+2至阅读器，其中，F函数为LFSR，
如不一致，则通信结束；
S5：阅读器接收Gn+1'⊕Gn+2'⊕Kn⊕r'和Gn+2'⊕Kn+2，根据阅读器自身存储的Gn计算F(Gn)，将F(Gn)、阅读器自身存储的r、阅读器自身存储的Gn+1与Gn+1'⊕Gn+2'⊕Kn⊕r'进行异或操作，得到Gn+2，将Gn+2与F(Gn+2)进行异或操作，判断Gn+2与F(Gn+2)进行异或操作的结果和阅读器接收的Gn+2'⊕Kn+2是否一致，
如一致，则阅读器通过对标签的认证，
如不一致，则通信结束。
2.如权利要求1所述的基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法，其特征在于，阅读器从阅读器自身的数据库中查找是否存在合法标签的信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中IDS与IDS’一致。
3.如权利要求1所述的基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法，其特征在于，阅读器通过伪随机数发生器生成随机数r。
4.如权利要求1所述的基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法，其特征在于，步骤S4中，标签通过对阅读器的认证后，标签更新自身的信息元组(IDS’，ID’，Gn’)中的IDS’和Gn’，使IDS'＝F(IDS'⊕Gn')，Gn’＝Gn+1’。
5.如权利要求1所述的基于物理不可克隆的RFID轻量级认证方法，其特征在于，步骤S5中，阅读器通过对标签的认证后，阅读器更新自身的标签信息元组(IDS，ID，Gn，Gn+1)中的IDS、Gn和Gn+1，使IDS＝F(IDS⊕Gn)，Gn＝Gn+1，Gn+1＝Gn+2。
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