CN105450673B - 基于移动rfid系统的安全协议认证方法 - Google Patents

基于移动rfid系统的安全协议认证方法 Download PDF

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Abstract

一种基于移动RFID系统的安全协议认证方法，涉及通信技术领域，采用动态ID和Hash函数机制的方法实现安全认证。在协议的认证过程中，后台服务器需要进行标签标识ID和移动读写器标识RID的双重验证，验证成功后将更新标签标识，RFID标签和移动读写器分别具备伪随机数发生器，执行Hash运算和异或逻辑运算的能力。在每一次认证过程中，标签、移动读写器、后台服务器三者之间进行加密信息的传送和交换，经过询问、应答、搜索、计算、验证、更新等过程，从而达到安全认证的效果。本发明是利用动态ID和Hash函数机制，使新系统能够地抵御各种攻击。

Description

基于移动RFID系统的安全协议认证方法
【技术领域】
本发明涉及通信技术领域，更具体涉及移动RFID系统中标签、移动读写器、后台服务器之间安全认证问题。
【背景技术】
射频识别技术（RFID）是结合非接触式自动识别技术与数据信息采集技术的综合性技术，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的目的，具有非接触性、操作简单、读写迅速、高可靠性等优点。因而RFID技术得到了广泛的应用，其应用领域包括了车辆运输与配送，生产自动化，物流识别，邮件跟踪，道路交通付费，物品监视，门禁监控统计等。射频识别系统基本构成有三部分：RFID标签，读写器和后台数据库。RFID系统通信模型1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RFID系统的安全性、可靠性和稳定性。
传统意义上，读写器和后台服务器之间通过双绞线（有线）连接，两者之间的通信通常视为安全的。随着无线通信和物联网紧密结合，移动电子商务、移动支付等应用业务快速发展，移动RFID系统2受到广泛关注。在移动RFID系统中，移动读写器和后台服务器采用无线方式来实现通信，因此，移动读写器与服务器之间的通信通常视为不安全的。在不安全的信道上容易受到各种威胁如窃听、商业间谋、假冒等攻击。因而，移动RFID系统具有更大的安全和隐私问题，且更具挑战性。为实现RFID系统传递信息完整性、隐私性和可用性功能，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；一类是应用Hash函数加密机制，如随机化Hash-Lock、Hash链协议、LCAP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，基于Hash函数加密机制，因Hash函数具有单向性和加密性得到广泛使用。然而现有的安全协议却不能完全满足移动RFID系统的安全需求。
本发明是在原有专利申请：基于汽车安防系统的动态ID和密钥更新的RFID安全方法（专利申请号：201410754424.7）基础上，针对RFID系统中电子标签、读写器、后台服务器三者之间的安全协议做出进一步改进，在原有系统中，未考虑移动读写器和后台服务器之间信息传递的安全性和隐私性，导致系统容易受到非法攻击。
【发明内容】
本发明提出了一种基于移动RFID系统的安全协议认证方法，针对移动RFID系统环境下基于动态ID和Hash函数机制的双向认证协议，该方法具有良好的安全与隐私保护特性，并使系统具备双向认证、防窃听跟踪、拒绝假冒攻击、抗重传攻击、抵御去同步化攻击、前向安全性等能力。
本发明的技术方案是[基于汽车安防系统的动态ID和密钥更新的RFID安全方法]中，考虑移动RFID系统，采用动态ID和Hash函数机制的方法实现安全认证。在协议的认证过程中，后台服务器需要进行标签标识ID和移动读写器标识RID的双重验证，验证成功后将更新标签标识，RFID标签和移动读写器分别具备伪随机数发生器，执行Hash运算和异或逻辑运算的能力。
本发明的实现方法：初始状态，后台服务器存储移动读写器标识RID、标签标识ID。在每一次认证过程中，标签、移动读写器、后台服务器三者之间进行加密信息的传送和交换，经过询问、应答、搜索、计算、验证、更新等过程，从而达到安全认证的效果。具体移动RFID系统安全协议认证方法执行步骤如下：
（1）RFID移动读写器生成伪随机数Q，并向标签发送认证请求Query和Q；
（2）标签接收到认证请求Query和伪随机数Q后，生成伪随机数S并执行Hash
运算N=H(ID‖Q‖S)，并且把NL, S传回移动读写器作为Query的响应；
（3）移动读写器接收到, S之后，将完成一次过滤操作：读写器根据前一次
缓存的，判断，如果，则过滤掉该标签；如果，则立即生
成G=H(RID⊕Q⊕S)，并发送Q, S,,至后台服务器；
（4）后台服务器接收到消息后，首先完成一次过滤操作：数据库根据前一次缓存的，判断，如果，在则过滤掉该移动读写器发来的信息；如果，则在数据库的移动读写器序列表中查找是否存在，使服务器计算出的满足，如果存在，则说明该移动读写器是合法的，否则验证失败停止后续步骤；
服务器计算，并在数据库的标签序列表中查找是否存在，使得，若存在，则该标签被视为合法标签，并在后台服务器中做出相应更新，，并将和发送给移动读写器；
若未找到，服务器继续计算，并在数据库的标签序列表中查找是否存在，使得，若存在，则该标签被视为合法标签，并在后台服务器中做出相应更新，并将和发送给移动读写器；否则认为该标签为非法标签，认证失败；
（5）移动读写器收到信息后，比较并验证，若相等，则把转发给标签；若不等，则不转发。标签收到移动读写器转发的信息后，根据之前计算的，比较两者是否相等,若相等则完成对标签和移动读写器的双向认证，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：
Tag 表示标签
Reader 表示移动读写器
Server 表示后台服务器
Query 表示询问信息
ID 表示标签的唯一标识（长度为L）
RID 表示移动读写器唯一标识（长度为L）
‖ 表示级联运算
⊕ 表示异或运算
= = 表示比较两者是否相等
Q 表示移动读写器产生的伪随机数（长度小于L）
S 表示标签产生的伪随机数（长度小于L）
N 表示标签和后台数据库计算用来验证彼此身份,
G 表示移动读写器和数据库计算用来验证彼此身份，
表示单向Hash函数,：，其中, 表示长度不确定的二进制数串，表示长度为L的二进制串
表示随机数生成器 （函数输出结果长度为，<L）
, 表示数串X的左半部分和右半部分
表示A发送信息G至B。
本发明的安全认证协议有以下有益效果：
防假冒攻击
(1)假冒标签攻击：攻击者冒充合法移动读写器向标签发送查询请求Query及随机数Q，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Query及随机数，这时攻击者便可以利用已获得的标签响应信息和S假冒合法标签实施攻击。然而本发明的安全协议，移动读写器中缓存前一次接收的，当时，过滤掉该标签，所以攻击者无法成功实施假冒标签攻击。
(2)假冒移动读写器攻击：在某一次认证过程中，攻击者截获读写器与标签和后台服务器交互信息，并且利用这些信息，冒充合法移动读写器哄骗标签和服务器。然而，本发明的安全协议，后台数据库存储着合法移动读写器的唯一标识RID，当收到假冒读写器发来的信息时，计算出，可知此移动读写器是非法的；当假冒读写器向标签发送验证信息时，由于，标签不会更新ID。因此攻击者无法成功实施假冒移动读写器攻击。
(3)假冒后台服务器攻击：在某一次认证过程中，攻击者截获移动读写器与后台服务器交互信息，并且利用这些信息，冒充合法后台服务器欺骗移动读写器。然而本发明的安全协议，移动读写器收到信息后，需要验证，由于每一轮的Q和S都是新鲜的，致使，读写器辨别出此服务器不合法，因而攻击者无法成功实施假冒后台服务器攻击。
抵抗重放攻击
重放攻击可以分为：对标签重放攻击、移动读写器重放攻击、后台服务器重放攻击。其中对标签重放攻击过程，攻击者利用截获的信息对标签进行重放，然而标签具备验证功能，当时，标签不会更新ID，因此标签可以抵御重放攻击。对移动读写器重放攻击过程中，攻击者利用截获的信息和S对读写器进行重放，然而，移动读写器中缓存前一次接收的，当时，会过滤掉该信息，所以移动读写器可以抵抗重放攻击。针对后台服务器的重放攻击，攻击者利用截获的信息对服务器进行重放，然而，后台数据库中缓存前一次接收的，当时，会屏蔽该信息，因此后台服务器可以抵御重放攻击。
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标识。本发明的安全协议采用动态ID机制方法，由于数据库中保存着前一次成功认证的标识，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。
认证双向性
在本发明的安全协议中，通过和的计算，实现了移动读写器和后台服务器之间的双向认证；通过和的计算，实现了后台服务器和标签之间的双向认证，从而保证了标签、移动读写器、后台服务器三者间的认证的可靠性。
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。本发明的协议是基于动态ID机制的安全协议，并且标签在每一轮验证回合都会产生新的随机数S，所以攻击者无法通过消息和S去判断是哪一个标签的响应，从而确保了标签不可追踪性。
防窃听攻击
本发明的安全协议，移动读写器和标签的相互认证过程中，传输的标签标识ID和移动读写器标识RID都是经过Hash函数加密，攻击者难以解密出真实的标签标识ID和移动读写器标识RID，有效的防止攻击者因窃听攻击而获取标签和移动读写器的有效信息。
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，标签标识ID通过双向认证后进行动态更新，并且每一轮随机数Q和S都是新鲜的，N和G也都是有变化的，所以即使攻击者获取当前标签的标识ID，也无法推算出之前的标识，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。
【附图说明】
图1为背景技术中RFID系统通信模型；
图2为背景技术中移动RFID系统的基本构成；
图3为本发明的移动RFID系统安全协议总体流程图；
图4为本发明的基于动态ID和Hash函数机制的认证过程示意图。
【具体实施方式】
本发明是针对移动RFID系统环境下基于动态ID和Hash函数机制的双向认证协议，系统总体流程图3，在认证协议中，标签、移动读写器、后台服务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ID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4，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、移动读写器的信息，主要包括，其中表示前一次成功认证的ID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：Reader → Tag ： Query，Q
RFID移动读写器生成伪随机数Q，并向标签发送认证请求Query和Q；
步骤2：Tag →Reader ： , S
标签接收到认证请求Query和伪随机数Q后，生成伪随机数S和执行Hash
运算N=H(ID‖Q‖S)，并且把, S传回移动读写器作为Query的响应；
步骤3：Reader →Server ：
移动读写器接收到, S之后，将完成一次过滤操作：读写器根据前一次缓
存的，判断，如果，则过滤掉该标签；如果，则立即生成G=H (RID⊕Q⊕S)，并发送Q, S,,至后台服务器；
步骤4：Server →Reader ：,
后台服务器接收到消息后，首先完成一次过滤操作：数据库根据前一次缓
存的，判断，如果，在则过滤掉该移动读写器发来的信息；如
果，则在数据库的移动读写器序列表中查找是否存在，使服务器计
算的满足，如果存在，则说明该移动读写器
是合法的，否则验证失败停止后续步骤。
服务器计算，并在数据库的标签序列表中查找是否存在，使得，若存在，则该标签被视为合法标签，并在后台服务器中做出相应更新，，并将和发送给移动读写器；
若未找到，服务器继续计算，并在数据库的标签序列表中查找是否存在，使得，若存在，则该标签被视为合法标签，并在后台服务器中做出相应更新，并将和发送给移动读写器；否则认为该标签为非法标签，认证失败。
步骤5：Reader →Tag ：
移动读写器收到信息后，比较并验证，若相等，则把转发给
标签；若不等，则不转发。标签收到移动读写器转发的信息后，根据之前计
算的,比较两者是否相等,若相等则完成对标签和移动读写器的双向认证,并更
新,否则认证失败。

Claims (1)

1.一种基于移动RFID系统的安全协议认证方法，其特征在于由以下步骤实现：
(1)RFID移动读写器生成伪随机数Q，并向标签发送认证请求Query和Q；
(2)标签接收到认证请求Query和伪随机数Q后，生成伪随机数S并执行Hash运算N＝H(ID‖Q‖S)，并且把NL,S传回移动读写器作为Query的响应；
(3)移动读写器接收到NL,S之后，将完成一次过滤操作：读写器根据前一次缓存的S′，判断S′＝＝S，如果S′＝S，则过滤掉该标签；如果S′≠S，则立即生成并发送Q,S,NL,GL至后台服务器；
(4)后台服务器接收到消息后，首先完成一次过滤操作：数据库根据前一次缓存的Q'判断Q'＝＝Q，如果Q'＝Q，则过滤掉该移动读写器发来的信息；如果Q'≠Q，则在数据库的移动读写器序列表中查找是否存在RID'，使服务器计算出的满足G'L＝GL，如果存在RID'，则说明移动读写器是合法的，否则验证失败停止后续步骤；
服务器根据数据库中存储的每个标签的IDnew分别计算N'L＝HL(IDnew||Q||S)，判断是否有满足N'L＝NL的标签IDnew存在，若有，则当前被认证的标签被视为合法标签，并更新该标签对应在后台服务器中的IDold、IDnew，其中IDold＝IDnew，若根据数据库中每个标签的IDnew计算出的N'L≠NL，服务器则根据数据库中每个标签的IDold继续计算N'L＝HL(IDold||Q||S)，若计算出的N'L＝NL，则该标签被视为合法标签，并在后台服务器中做出相应更新并将G'R和N'R发送给读写器；否则认为该标签为非法标签，认证失败；
(5)移动读写器收到信息后，比较并验证G′R＝＝GR，若相等，则把N′R转发给标签；若不等，则不转发；标签收到移动读写器转发的信息N′R后，根据之前计算的NR，比较两者是否相等,若相等则完成对标签和移动读写器的双向认证，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：
Query表示询问信息
ID表示标签的唯一标识，长度为L
RID表示移动读写器唯一标识，长度为L
‖表示级联运算
表示异或运算
＝＝表示比较两者是否相等
Q表示移动读写器产生的伪随机数，长度小于L
S表示标签产生的伪随机数，长度小于L
N表示标签和后台数据库计算用来验证彼此身份,N＝HL(ID||Q||S)
G表示移动读写器和数据库计算用来验证彼此身份，
H()表示单向Hash函数,H：{0,1}*→{0,1}L，其中,{0,1}*表示长度不确定的二进制数串，{0,1}L表示长度为L的二进制串
XL,XR表示数串X的左半部分和右半部分。
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Inventor after: Zhang Lei

Inventor after: Zhang Huichuan

Inventor after: Kong Fanyue

Inventor after: Chen Qian

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