CN104486080A - 基于汽车安防系统的动态 id 和密钥更新的rfid 安全方法 - Google Patents

Abstract

一种基于汽车安防系统的动态ID和密钥更新的RFID安全方法，涉及网络式汽车安防系统和无线通信技术领域，将网络式汽车安防系统安装至车内，将射频识别装置的读写器安装在车门位置，用户手持电子标签靠近读写器在空间无线信道通信，由主控模块进行数据处理，通过标签和读写器之间带有动态 和密钥更新的安全协议认证完成信息交互，如果标签合法，标签和后台服务器的标识和密钥同时更新，车门将打开，汽车点火系统将开启；如果不合法，标识和密钥不更新，车门将无法打开，汽车点火系统则将处于关闭状态。本发明能够保证协议的正确性和安全性。

Description

基于汽车安防系统的动态 ID 和密钥更新的RFID 安全方法

【技术领域】

    本发明涉及网络式汽车安防系统和无线通信技术领域，更具体涉及无线射频识别系统中基于动态                                               和密钥更新的安全协议。

【背景技术】

汽车安防系统经历了机械式、电子式、芯片式和网络式四个阶段，这些防盗器功能不尽相同，各有长处，但是从长远看，汽车防盗技术的总体朝着网络式防盗系统方向发展。网络式汽车安防系统主要以网络为载体，实现车门开关控制和车辆的启动、截停、定位操作，以及根据车主的要求，实时地提供汽车状况等信息。随着网络式汽车安防系统和无线通信技术的发展，基于射频识别技术的汽车安防系统得到了广泛的应用。

射频识别技术（），是20世纪80年代发展起来的一种新兴自动识别技术，它是利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术，具有非接触性、操作简单、读写迅速、高可靠性能等优点。射频识别系统基本构成1有三部分：标签，读写器和后台数据库。系统通信模型2由三层组成，从下到上依次为：物理层、通信层和应用层，其中应用层用于解决和最上层应用直接相关的内容，包括认证、识别以及应用层数据的表示、处理逻辑等，而应用层安全协议的设计常常反映出系统的安全性、可靠性和稳定性。在执行安全协议过程中，由于用户标签和读写器之间通过无线信道传输，而在空间的无线信道属于不安全信道，因此信息的安全性和隐私性受到了攻击者严重的威胁。在无线信道传输过程中，攻击者可以窃听标签发送过的有效信息对读写器进行重放攻击，并且可以假冒标签获取读写器和后台服务器中的安全信息，非法者还可以监听或篡改标签和读写器之间的会话，从而达到跟踪、破坏和盗取车辆的目的。

为实现系统传递信息完整性、机密性、隐私性、真实性和可用性功能，业界已经提出许多种解决方案，这些方案大致可分为两类：一类是物理方法，如KILL标签，法拉第网罩和阻止标签，另一类是应用单向函数加密机制，其中按标识在认证过程中是否更新又分为“静态机制”，如，随机化、协议、和“动态机制”，如链协议、协议。其中物理方法存在使用寿命短、效率低、不可重复使用等缺点，而单向函数加密机制，因函数具有单向性和加密性得到广泛使用，其中，协议，标识以明文的形式通过不安全信道传送，因此协议非常容易受到假冒攻击和重传攻击，攻击者也可以很容易地对标签进行跟踪；随机协议，每一次认证过程中，后端服务器都需要将所有标签标识发送给读写器进行判断处理，增加了认证时间和降低了认证速度，而且标识仍以明文的形式通过读写器向标签传送，攻击者可以截获假冒标签或对读写器进行重放攻击；协议，虽然运用了加密机制在不安全信道中传输，达到了标签不可追踪和抗假冒标签攻击，但是却不能阻止读写器假冒攻击和重放攻击；链协议，是基于动态更新机制，仅仅实现了单向认证，却非常容易受到重传和假冒攻击；协议，也是基于动态更新机制，虽然可以抗重传攻击和假冒攻击，但是无法保证前向安全性和存在去同步化的安全隐患。

本发明是在原有专利：一种基于实时控制车载通信网络技术的汽车安防系统（专利申请号：201310699549.X）基础上针对RFID系统中电子标签和读写器之间的安全协议做出进一步改进，在原有系统中，电子标签和读写器之间信息交互的信道是不安全信道，认证过程中未考虑信息传递的安全性和隐私性等问题，导致系统容易受到非法攻击，造成系统失灵或瘫痪的严重后果。本发明提出了适用于网络式汽车安防系统RFID安全协议一种新的认证方法，即带有动态ID和密钥更新的RFID安全协议，使RFID系统具备双向认证、防窃听跟踪、拒绝假冒攻击、抗重传攻击、抵御去同步化攻击、前向安全性、可证明安全性等优点，能够有效的提高汽车安防系统的鲁棒性。

【发明内容】

本发明提出了一种基于汽车安防系统的动态和密钥更新的安全方法，能够有效的提高汽车安防系统的安全性能。

本发明提出了带有动态和密钥更新的安全协议的实现方法并给出了形式化证明，保证认证协议的安全性和正确性。

本发明的技术方案是[一种基于实时控制车载通信网络技术的汽车安防系统]中，采用动态和密钥更新的认证协议。初始状态时，安装在车中主控模块（即后台服务器）和车主的标签共享同一标识和密钥，在每一次认证过程中，标签和读写器以及后台服务器之间进行加密信息的传送和交换，经过询问、应答、过滤、搜索、计算、验证等过程，协议双向认证成功后，车主标签和后台服务器的及密钥都会更新，达到安全认证的效果，从而实现汽车安全防护的作用。

本发明的实现方法是将网络式汽车安防系统安装至车内，将射频识别装置的读写器安装在车门位置，用户手持电子标签靠近读写器在空间无线信道通信，由主控模块进行数据处理，通过标签和读写器之间带有动态和密钥更新的安全协议认证完成信息交互，如果标签合法，标签和后台服务器的标识和密钥同时更新，车门将打开，汽车点火系统将开启；如果不合法，标识和密钥不更新，车门将无法打开，汽车点火系统则将处于关闭状态。只有通过了  模块的安全认证协议，用户才可以继续操控汽车，所以模块中应用层安全协议传递信息的完整性、机密性、隐私性、真实性和可用性变的尤为重要。

本发明将带有动态和密钥更新的认证协议应用于网络式汽车安防系统中，具体安全方法执行步骤如下：

（1）读写器生成伪随机数，读写器向标签发送认证请求和；

（2）用户标签接受到认证请求和伪随机数后，进行两次函数的计算=()以及，然后把，发回给读写器作为对认证请求的响应；

（3）读写器接收到，以后，将完成一个过滤操作：读写器根据前一次缓存的，计算＝＝，如果＝，则过滤掉该标签；如果 ，读写器将，发送至服务器；

（4）服务器收到读写器信息后，根据信息在后台服务器中进行相应的查找、计算和比较：

若查找到()=()，计算，比较＝＝，若相等，则该用户标签通过认证为合法标签，并在后台服务器中作相应更新：，，，；

    若查找到()=(),计算，比较＝＝，若相等，则该用户标签通过认证为合法标签，并在后台服务器中作相应的更新：，；

当后台服务器认证用户标签为合法标签，并完成相应更新后,服务器将发送至读写器，此时读写器刷新，＝；否则认为该用户标签为非法标签,停止认证过程,向读写器发送认证失败信号；

（5）用户标签收到读写器转发的信息后,根据之前计算的,比较两者是否相等,若相等则完成对用户标签和读写器的双向认证,并更新，,否则认证失败；

在上述的安全协议中出现的符号如下定义：

   　表示标签

　表示读写器

   表示后台服务器

　表示询问信息

   　表示标签的唯一标识（长度为）

 　表示标签与后台数据库共享密钥值（长度为）

    　表示级联运算符

      表示异或运算

  　表示比较两者是否相等

   　表示读写器产生的伪随机数（长度小于）

  　表示协议认证过程中标签通过函数模块产生的数串

   　表示标签和后台数据库计算用来验证彼此身份, 

  　表示读写器中缓存前一次认证的数串

  　表示单向函数, ：，其中, 表示长度不确定的二进制数串，表示长度为的二进制串

 　表示随机数生成器 （函数输出结果长度为，通常）

, 　表示数串的左半部分和右半部分

　表示发送信息至。

本发明的安全认证协议有以下有益效果：

防止假冒攻击

攻击者冒充合法读写器向用户标签发送查询请求及随机数 ，并且获得了标签响应信息。在下一个认证过程中，当合法读写器向这个标签发送查询请求及随机数，这时攻击者利用后向信道响应信息和假冒合法标签实施攻击。然而本发明的安全协议，读写器中缓存前一次认证的，因为=会过滤掉该标签，所以攻击者无法成功实施假冒标签攻击。

防止重放攻击

在读写器通过前向信道向标签发送和之后，攻击者获取标签的响应和，在以后的认证会话中,攻击者通过后向信道响应和，对服务器发动重传攻击。由于本发明的安全协议读写器中缓存前一次认证的，所以会屏蔽掉攻击者的重传信息，攻击者无法成功实施重放攻击。

抵御去同步化攻击

本发明的安全协议的执行过程中，如果发生信息丢失，电源故障或者服务器与标签之间由于其它原因导致联系中断，使得标签在某次认证后未及时更新密钥值和标识。这时，由于前一次进行成功认证的值和保存在数据库中，所以合法标签仍然可以成功认证，因此系统可以抵御去同步化攻击。

前向安全性

前向安全性是指即使获得当前标签的信息，也不能解密过去的数据。因为本发明的安全协议中，用户标签的密钥值和通过双向认证后进行动态更新，所以即使攻击者获取当前标签的密钥值和，也无法推算出之前的密钥值和，因此无法获取该标签相关的历史活动信息，从而有效的保证了系统的前向安全性。

认证双向性

在本发明的安全协议中，通过的计算，读写器实现了对用户标签的认证；通过的计算，用户标签实现了对读写器的认证，继而实现了读写器-标签身份的双向认证。

标签不可追踪性

如果一个标签的响应信息和其它标签的响应信息可以被区分出来，那么这个标签的位置就可以被未经授权的实体跟踪定位。本发明的安全协议是基于动态和密钥更新的安全协议，即每一次认证成功后和密钥都会更新，具有不可区分性，确保了标签不可追踪性。

防窃听攻击

本发明的安全协议，读写器和标签的相互认证过程中，传输的密钥值和都经函数加密，攻击者难以解密出真实的密钥值和，有效的防止攻击者因窃听攻击而获取用户标签和读写器的有效信息。

可证明安全性

    安全协议设计时存在的诸多有关协议说明、规范及密码算法、体系系统等运用上的缺陷，包括其所处的不安全的网络通信环境，都使得安全协议是易错的，本发明的安全协议借助形式化的分析方法与工具来对安全协议的安全性进行分析验证，保证协议的正确性和安全性。

【附图说明】

图1为背景技术中射频识别系统的基本构成

图2为背景技术中系统通信模型

图3为本发明的网络式汽车安防系统总体框图

图4为本发明的基于汽车安防系统安全协议总体流程图

图5为本发明的基于动态和密钥更新的安全协议认证流程示意图

【具体实施方式】

本发明提出了带有动态和密钥更新的认证协议应用于网络式汽车安防系统中，系统总体流程图4，基于动态和密钥更新的认证协议中，用户标签和读写器之间通过密文方式传输，这种方式有效的保护信息的安全性，并通过动态和密钥更新的方式确保无法被攻击者窃听、跟踪、假冒和重放。

以下结合实施例，参照图5，描述本发明的具体实施步骤：

协议初始条件

在协议初始阶段，服务器数据库中存储标签信息，主要包括，其中表示前一次成功认证的值，初始值为0，表示本次认证过程中生成的值，表示前一次成功认证的值，表示本次认证过程中生成的值，初始值为数据库与标签共享的随即关键字。

协议执行过程

协议第i回合执行过程，其详细过程如下：

步骤1： → ：，

读写器生成伪随机数，读写器向标签发送认证请求和；

步骤2： →：，

用户标签接受到认证请求和伪随机数后，进行两次函数的计算=()以及，然后把，发回给读写器作为对认证请求的响应；

步骤3： →：，

读写器接收到，以后，将完成一个过滤操作：读写器根据前一次缓存的，计算＝＝，如果＝，则过滤掉该标签；如果 ，读写器将，发送至服务器。

步骤4： →：

服务器收到读写器信息后，根据信息后台服务器中进行相应的查找、计算和比较：

若查找到()=()，计算，比较＝＝，若相等，则该用户标签通过认证为合法标签，并在后台服务器中作相应更新：，，，；

    若查找到()=(),计算，比较＝＝，若相等，则该用户标签通过认证为合法标签，并在后台服务器中作相应的更新：，；

当后台服务器认证用户标签为合法标签，并完成相应更新后,服务器将发送至读写器，此时读写器刷新，＝；否则认为该用户标签为非法标签,停止认证过程,向读写器发送认证失败信号。

步骤5： →：

用户标签收到读写器转发的信息后,根据之前计算的,比较两者是否相等,若相等则完成对用户标签和读写器的双向认证,并更新密钥，,否则认证失败。

安全协议的逻辑分析和证明

由于在安全协议设计时存在的诸多有关协议说明、规范及密码算法、体系系统等运用上的缺陷，包括其所处的不安全的网络通信环境，都使得安全协议是易错的，因此须要借助形式化的分析方法与工具来对安全协议的安全性进行分析验证。逻辑通过对认证协议的运行进行形式化分析来研究认证双方通过相互发送和接收消息能都从最初的信念逐渐发展到协议运行最终要达到的目的-认证双方的最终信念,其目的是在一个抽象层次上分析系统中认证协议的安全问题。逻辑的使用，是建立在如下所做的假设基础之上的：

（1）假设参与协议的主体是诚实的；

（2）若一个消息中有两个密文块，则该密文块被看作是分两次分别到达的；

（3）基于加密系统是完善的假设，即只有掌握密钥的主体才能理解密文消息，因为不知道密钥的主体不能解密密文而得到明文"攻击者无法从密文推断出密钥；

（4）密文含有足够的冗余信息，使解密者可以判断他是否应用了正确的密钥；

（5）密文块不能被篡改，也不能用几个小的密文块组成一个新的大密文块。

逻辑基本符号和术语

逻辑可以用来分析通信协议的安全性，其推导过程根据协议的初始假设，利用逻辑的基本逻辑规则,逐步推导出协议的安全目的。下面列举本文所使用的逻辑基本符号和术语：

,表示一般意义上的通信主体，一个范围的概念；

,表示一般意义上语句；

表示一般意义上的加密密钥，一个范围的概念；

表示和的连接；

表示相信,认为为真;

表示看到过,曾收到包含的消息,能读出并重复;

表示曾经说过,在某一时刻曾发送过包含的消息。这个断言包含两个含义:一方面是指消息是由发送的,即消息源是;另一方面是指能够确认消息的含义,即能够识别该消息并做出正确的解释；

表示对有控制权,或有管辖权；

表示是新鲜的,指协议执行之前未被传送过;

表示是，之间的共享秘密,且除和以及他们相信的主体之外,其他主体都不知道；

表示和的的组合,意图是, 是一个秘密,它的出现证明使用的身份，在实际中, 只是简单地级联上。

逻辑的推理规则

逻辑共包括19条逻辑规则,下面仅列举与本协议证明相关的4条规则:

（1）消息含义规则

公式含义：若相信是和的共享秘密,并且收到了消息和秘密的级联,则相信发送过消息,及秘密可以作为消息出处的判定依据。

（2）管辖权规则

公式含义：若相信有权控制,且相信也相信时,则相信，该规则进一步拓展了主体的推知能力,使主体可以基于其他主体已有的信念之上推知新的信念。

（3）随机数验证规则

公式含义：若相信是新鲜的,且相信曾经发送过,则相信, 相信。

（4）新鲜性规则

公式含义：若相信是新的,则相信和的级联的整体信息也是新的。

本协议的形式化模型

注释：代表读写器，代表用户标签，代表，代表随机数，本协议进行逻辑形式化时,将消息拆分等进行省略和抽象,仅保留与安全性证明直接相关部分,由于实际情况中,读写器通过对标签进行认证,用户标签通过对读写器进行认证,为了形式表达的简洁,在不影响安全性证明的前提下,将抽象为标签的认证标识，而将抽象为读写器/后台服务器的认证标识。

协议的初始假设条件：

    公式含义：读写器相信是读写器和标签的共享秘密；

    公式含义：标签相信是标签和读写器的共享秘密；

      公式含义：读写器相信随机数是新鲜的；

      公式含义：标签相信信息是新鲜的；

  公式含义：读写器相信标签对标识有控制权限；

   公式含义：标签相信读写器对标识有控制权限。

协议的要达到的安全目标：

 和    公式含义：读写器相信标签的认证标识真实有效和标签相信读写器的认证标识真实有效。

协议推理证明过程：

根据初始假设和消息含义规则可知，，即读写器相信标签曾经发送过认证标识；

根据初始假设和新鲜性规则可知，，即读写器相信标签的认证标识是新鲜的；

根据随机数验证规则可知，，即读写器相信，标签相信认证标识；

根据初始假设和管辖权规则可知，，即读写器相信标签的认证标识；

注释：以上主体和分别为和，秘密为协议中的。

根据初始假设和消息含义规则可知，，即标签相信读写器曾经发送过认证标识；

根据初始假设和新鲜性规则可知，，即标签相信读写器的认证标识是新鲜的；

根据随机数验证规则可知，，即标签相信，读写器相信认证标识；

根据初始假设和管辖权规则可知，，即标签相信读写器的认证标识；

注释：以上主体和分别为和，秘密为协议中的。

逻辑分析证明结论

    通过对本文的安全协议进行形式化分析和逻辑规则推导,可以最终得到协议的安全目标:  和 ，即完成了读写器和标签之间的双向安全协议认证，从而保证认证协议的正确性和安全性。

 和 ，即完成了读写器和标签之间的双向安全协议认证。

Claims (1)

1.一种基于汽车安防系统的动态ID和密钥更新的RFID安全方法，其特征在于由以下步骤实现：

（1）                                                读写器生成伪随机数，读写器向标签发送认证请求和；

（2）用户标签接受到认证请求和伪随机数后，进行两次函数的计算=()以及，然后把，发回给读写器作为对认证请求的响应；

（3）读写器接收到，以后，将完成一个过滤操作：读写器根据前一次缓存的，计算＝＝，如果＝，则过滤掉该标签；如果 ，读写器将，发送至服务器；

（4）服务器收到读写器信息后，根据信息在后台服务器中进行相应的查找、计算和比较：

若查找到()=()，计算，比较＝＝，若相等，则该用户标签通过认证为合法标签，并在后台服务器中作相应更新：，，，；

    若查找到()=(),计算，比较＝＝，若相等，则该用户标签通过认证为合法标签，并在后台服务器中作相应的更新：，；

当后台服务器认证用户标签为合法标签，并完成相应更新后,服务器将发送至读写器，此时读写器刷新，＝；否则认为该用户标签为非法标签,停止认证过程,向读写器发送认证失败信号；

（5）用户标签收到读写器转发的信息后,根据之前计算的,比较两者是否相等,若相等则完成对用户标签和读写器的双向认证,并更新，,否则认证失败；

在上述的安全协议中出现的符号如下定义：

   　表示标签

　表示读写器

   表示后台服务器

　表示询问信息

   　表示标签的唯一标识,长度为

 　表示标签与后台数据库共享密钥值,长度为

    　表示级联运算符

      表示异或运算

  　表示比较两者是否相等

   　表示读写器产生的伪随机数,长度小于

  　表示协议认证过程中标签通过函数模块产生的数串

   　表示标签和后台数据库计算用来验证彼此身份, 

  　表示读写器中缓存前一次认证的数串

  　表示单向函数, ：，其中, 表示长度不确定的二进制数串，表示长度为的二进制串

 　表示随机数生成器 ,函数输出结果长度为，通常

, 　表示数串的左半部分和右半部分

　表示发送信息至。