CN105656632A - 一种群组rfid标签身份认证方法 - Google Patents

一种群组rfid标签身份认证方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种群组RFID标签身份认证方法，能够满足RFID系统实际应用需求。本发明所提出的方法对标签端的硬件要求低，满足超轻量级协议的要求，能够实现群组RFID标签的身份认证过程，适合应用于解决低成本RFID系统的群组RFID标签身份认证问题。

Description

一种群组RFID标签身份认证方法
技术领域
本发明属于射频识别及身份认证技术领域，特别涉及一种群组RFID标签身份认证方法。
背景技术
RFID系统主要由标签、阅读器、后端服务器三大部分组成，其中后台服务器与阅读器通过安全有线信道进行通信，阅读器与标签通过不安全的无线信道进行通信，因此存在多种安全隐患；同时，由于受到终端计算能力、存储能力等多种因素的限制，现有的RFID身份认证协议难以满足安全、高效、低成本的需求；而且在实际应用中，RFID标签常以群组方式发生身份认证过程，因此传统的RFID身份认证协议已无法满足实际的应用需求。
发明内容
本发明的目的是为了满足际的RFID系统应用需求，提出一种群组RFID标签身份认证方法。其技术方案如下：
所述RFID自动识别系统包括RFID标签、RFID阅读器和RFID后台服务器。
所述认证方法包括：安全认证模式和快捷认证模式。
其中安全认证模式认证过程如下：
s1.阅读器中的随机数发生器产生随机数N1；然后选中群组Fx，广播消息(Query||Fx||N1)；
s2.标签收到消息之后，检查本地群组标识Fx与收到的群组标识是否一致，如果一致，则标签处于激活状态，跳转到s3；否则标签处于静默状态，认证过程终止。
s3.被激活的标签利用本地消息Nx，标签标识ID，标签假名IDS，结合函数LEPA(x,y)计算N2、A、B，之后更新秘密数Nx，得到A、B，并发送消息IDS||Fx||A||B至阅读器；阅读器转发消息IDS||Fx||A||B||N1给服务器；
s4.服务器收到消息之后，首先在后台服务器中，检查群组Fx中存储的IDS数据能否匹配消息中的IDS数据；如果没有数据匹配成功，表示服务器认证标签失败，认证过程终止；如果匹配成功，则表示服务器预认证标签成功，跳转至s5；
s5.服务器用消息中的数据A、N1、IDS以及本地存储的数据ID，结合公式，计算得到数据N2、B’，验证消息中的数据B＝B’是否成立，如果等式成立，则表示服务器验证标签成功，跳转至s6；否则认证失败，结束认证过程。
s6.服务器成功认证标签之后，更新IDSold，并生成随机数N3，利用本地保存数据ID、IDS，以及s5中计算得到的数据N2，结合函数PCS(x,y)，计算IDSnew、C、D，通过阅读器转发消息C||D给标签，继续s7；
s7.标签接收消息，并利用消息C、D，以及本地数据ID、N2、IDS计算N3、IDSnew’、D′，验证等式D′＝D能否成立；若等式成立，则标签认证读写器成功，标签更新假名IDS；否则标签认证读写器失败，认证过程终止。
s8.重复上述s3-s7；在预定的时间内，直到后台服务器中群组Fx的所属的标签全部认证成功，则群组认证成功，否则认证超时，群组认证失败。
其中所述认证方法中的快捷认证模式认证过程如下：
c1.阅读器中的随机数发生器产生随机数N1；然后选中群组Fx，广播消息(Query||Fx||N1)；
c2.标签收到消息之后，检查本地群组标识Fx与收到的群组标识是否一致，如果一致，则标签处于激活状态，跳转到c3；否则标签处于静默状态，认证过程终止。
c3.被激活的标签i利用本地消息Nx，标签标识ID，标签预标识IDF，函数SLEPA(x,y)按照对应的公式计算N2、A、B、C，更新秘密数Nx；然后通过阅读器发送消息Fx||A||B||C给后台服务器；
c4.服务器收到消息之后，按照公式分别计算N2、B’，验证等式B＝B’是否成立；若等式成立，则表示阅读器认证标签成功，计算得到IDF；跳转至c5；
c5.取IDF的后32bit位为IDFx，服务器在预定时间内，验证IDFx1⊕IDFx2⊕...IDFxn结果为特定值P，IDFx1⊕IDFx2⊕...IDFxn是否为特定值Q，如果验证成功，则群组认证成功，如果验证失败，或者认证超时，则群组认证失败。
通过上述认证方法的验证，RFID标签和阅读器的完成了身份认证过程，通过验证的标签和阅读器即可进行后续业务操作。
所述方法中函数SLEPA(x,y)由线性反馈移位寄存器(LFSR)和两个非线性函数PCS(x,y)、NLEA(x,y)组成；硬件上，只要标签具有位运算的能力，就可以实现PCS(x,y)和NLEA(x,y)函数，而且LFSR机制也只需要硬件具有异或运算和移位运算能力，因此SLEPA(x,y)函数具有超轻量级的性质。函数PCS(x,y)、NLEA(x,y)、SLEPA(x,y)的详细实现分别见图1、图2、图3。
所述方法中函数PCS(x,y)、NLEA(x,y)中的常量O表示将1左移对应服务器的CPU位数，并减1(如32bitCPU，则O＝2^32-1)；
所述方法中函数SLEPA(x,y)中的常量M表示获得对应服务器的CPU位数的整数，将其前半部分bit位置0，后半部分bit位置1(如32bitCPU，M＝0x00001111)；
所述方法中函数SLEPA(x,y)中的常量表示获得对应服务器的CPU位数的整数，将其前半部分bit位置1，后半部分bit位置0(如32bitCPU，N＝0x11110000)；
所述方法中安全认证模式s3中N2、A、B的计算公式以及更新秘密数Nx的方法如下：
N2＝SLEPA(Nx,N1)；
B = P C S ( I D S ⊕ N 2 , N 1 ) ;
Nx＝N2；
所述方法中安全认证模式s5中计算N2、B’的公式如下：
B , = P C S ( I D S ⊕ N 2 , N 1 ) ;
所述方法中安全认证模式s6中更新IDSold，计算IDSnew、C、D的公式如下：
IDSold＝IDSnew；
D = P C S ( I D S n e w ⊕ N 2 , N 3 ) ;
所述方法中安全认证模式s7中计算N3、IDSnew’、D′以及标签更新假名IDS的方法如下：
D ′ = P C S ( IDSnew ′ ⊕ N 2 , N 3 ) ;
IDS＝IDSnew；
所述方法中快捷认证模式c3中计算N2、A、B、C的公式和更新秘密数Nx的方法如下：
N2＝SLEPA(Nx,N1)；
C = I D F ⊕ N 2 ;
Nx＝N2；
所述方法中快捷认证模式c4中计算N2、B’的公式如下：
所述方法中快捷认证模式c5中P的值为0，Q的值为
本发明技术方案带来的有益效果：
本发明提出的一种群组RFID标签身份认证方法，其运算开销低，标签只需要具有满足位运算、包括逻辑运算、异或运算、移位运算的能力；通信开销低，安全认证模式只需在开放空间中通过3轮通信,快捷认证模式只需要开放空间中完成2轮通信量；该方法提出的PCS(x,y)算法、NLEA(x,y)算法、SLEPA(x,y)算法均只需要标签端具有位操作的能力，这些算法流程简单、所需资源少、易于实现，适合应用于解决低成本RFID标签的安全问题；同时提高RFID系统在开放空间中的保密性，协议能抵抗中间人攻击、重放攻击、拒绝服务攻击等RFID系统常见的攻击方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的非线性函数PCS(x,y)具体运算流程示意图；
图2为本发明的非线性函数NLEA(x,y)具体运算流程示意图；
图3为本发明的非线性函数SLEPA(x,y)具体运算流程示意图；
图4为本发明所述的一种群组RFID身份认证方法示意图；
图5为本发明所述的一种群组RFID身份认证方法安全认证模式示意图；
图6为本发明所述的一种群组RFID身份认证方法快捷认证模式示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种群组RFID身份认证方法，用于实现RFID自动识别系统中，RFID标签和RFID阅读器进行业务通信之前，以群组的方式通过系统身份认证的功能。所述RFID自动识别系统包括RFID标签组、RFID阅读器和后台服务器，其中RFID标签组中的标签无电源，标签中的内部EEPROM存储数据，标签CPU为32bit，它只需要满足位运算(逻辑运算、移位运算等)操作，具有实现PCS(x,y)函数、NLEA(x,y)函数、SLEPA(x,y)函数的功能。
对RFID自动识别系统进行初始化，具体如下：
在每个RFID标签中载入五元组(ID,IDS,IDF,Fx,Nx),其中ID表示标签标识，初始值为32bit的二进制数，其值为出厂设定；IDS表示标签假名，初始值为64bit的二进制数，其值为LFSR(ID)；由于标签的ID是唯一的，经过线性反馈移位寄存器运算之后，得到唯一的的IDS；IDF表示标签的假标识，初始值为96bit的二进制数，其值为后台服务器对标签所在群组中的标签分配的标识，最高位32bit保存群组标识，中间32bit为保留区，最低32bit保存群组标签为所属标签按序分配的标识(如4个标签，则分别分配标识00、01、10、11)；Fx表示标签的群组标识，初始值为64bit的二进制数，其中最高位为模式标识，0表示安全认证模式，1表示快捷认证模式，第1-32bit位保存服务器为标签群组分配的标识，最后32bit位为保留位；Nx为标签的秘密数，初始值为32bit的二进制数，初始值随机分配。
在后台服务器中为每一个标签保留一个五元组(ID,IDSnew,IDSold,IDF,Fx)。其中ID、IDF、Fx分别表示标签的身份标识、标签的假标识、标签的群组标识；IDSnew,IDSold分别表示标签本次认证的假名、标签上一次认证成功时的假名。设定M＝0x00001111、N＝0x11110000、O＝2^32-1、P＝0、(n表示群组中标签数量)。
RFID系统的身份认证过程示意图如图4所示，协议的具体执行过程如下：
后台服务器通过阅读器广播请求；
群组标签响应请求，按照消息中群组标识最高位的值选择安全认证模式流程或者快捷认证模式完成身份认证过程。
RFID系统的身份认证过程安全认证模式示意图如图5所示，协议的具体执行过程如下：
s1.阅读器中的随机数发生器产生随机数N1；然后选中群组Fx，广播消息(Query||Fx||N1)；
s2.标签收到消息之后，检查本地群组标识Fx与收到的群组标识是否一致，如果一致，则标签处于激活状态，跳转到s3；否则标签处于静默状态，认证过程终止。
s3.被激活的标签利用本地消息Nx，标签标识ID，标签假名IDS，结合函数LEPA(x,y)计算N2＝SLEPA(Nx,N1)，之后更新秘密数Nx＝N2，得到A、B，并发送消息IDS||Fx||A||B至阅读器；阅读器转发消息IDS||Fx||A||B||N1给服务器。
s4.服务器收到消息之后，首先在后台服务器中，检查群组Fx中存储的IDS数据能否匹配消息中的IDS数据；如果没有数据匹配成功，表示服务器认证标签失败，认证过程终止；如果匹配成功，则表示服务器预认证标签成功，跳转至s5；
s5.服务器用消息中的数据A、N1、IDS以及本地存储的数据ID，结合公式，计算得到数据验证消息中的数据B＝B’是否成立，如果等式成立，则表示服务器验证标签成功，跳转至s6；否则认证失败，结束认证过程。
s6.服务器成功认证标签之后，更新IDSold＝IDSnew,并生成随机数N3，利用本地保存数据ID、IDS，以及s5中计算得到的数据N2，结合函数PCS(x,y)，计算通过阅读器转发消息C||D给标签，继续下一步s7；
s7.标签接收消息，并利用消息C、D，以及本地数据ID、N2、IDS计算N3、IDSnew’、D′， 验证等式D′＝D能否成立；若等式成立，则标签认证读写器成功，标签更新假名IDS＝IDSnew；否则标签认证读写器失败，认证过程终止。
s8.重复上述s3-s7；在预定的时间内，后台服务器中群组Fx的所属的标签全部认证成功，则群组认证成功，否则认证超时，群组认证失败。
RFID系统的身份认证过程快捷认证模式示意图如图6所示，协议的具体执行过程如下：
c1.阅读器中的随机数发生器产生随机数N1；然后选中群组Fx，广播消息(Query||Fx||N1)；
c2.标签收到消息之后，检查本地群组标识Fx与收到的群组标识是否一致，如果一致，则标签处于激活状态，跳转到c3；否则标签处于静默状态，认证过程终止。
c3.被激活的标签i利用本地消息Nx，标签标识ID，标签预标识IDF，函数SLEPA(x,y)按照对应的公式计算N2＝SLEPA(Nx,N1)； 更新秘密数Nx＝N2；然后通过阅读器发送消息Fx||A||B||C给后台服务器。
c4.服务器收到消息之后，按照公式分别计算 验证等式B＝B’是否成立；若等式成立，则表示阅读器认证标签成功，计算得到IDF；跳转至c5；
c5.取IDF的后32bit位为IDFx，服务器在预定时间内，验证结果为特定值P，是否为特定值Q，如果验证成功，则群组认证成功，如果验证失败，或者认证超时，则群组认证失败。
符号说明：
逻辑异或(XOR)运算；
逻辑或运算；
逻辑与运算；
《:左移运算
》:右移运算
％:取余运算
PCS(x,y)：非线性函数，其中x，y是函数的入口参数。
NLEA(x,y)：非线性函数，其中x，y是函数的入口参数。
SLEPA(x,y)：非线性函数，其中x，y是函数的入口参数。
以上对本发明实施例所提供的一种组群RFID标签身份认证方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种群组RFID标签身份认证方法，其特征在于，安全认证模式和快捷认证模式。
其中安全认证模式认证过程如下：
s1.阅读器中的随机数发生器产生随机数N1，然后选中群组Fx，广播消息(Query||Fx||N1)；
s2.标签收到消息之后，检查本地群组标识Fx与收到的群组标识是否一致，如果一致，则标签处于激活状态，跳转到s3；否则标签处于静默状态，认证过程终止。
s3.被激活的标签利用本地消息Nx，标签标识ID，标签假名IDS，结合函数LEPA(x,y)计算N2、A、B，之后更新秘密数Nx，得到A、B，并发送消息IDS||Fx||A||B至阅读器；阅读器转发消息IDS||Fx||A||B||N1给服务器；
s4.服务器收到消息之后，首先在后台服务器中，检查群组Fx中存储的IDS数据能否匹配消息中的IDS数据；如果没有数据匹配成功，表示服务器认证标签失败，认证过程终止；如果匹配成功，则表示服务器预认证标签成功，跳转至s5；
s5.服务器用消息中的数据A、N1、IDS以及本地存储的数据ID，结合公式，计算得到数据N2、B’，验证消息中的数据B＝B’是否成立，如果等式成立，则表示服务器验证标签成功，跳转至s6；否则认证失败，结束认证过程。
s6.服务器成功认证标签之后，更新IDSold，并生成随机数N3，利用本地保存数据ID、IDS，以及s5中计算得到的数据N2，结合函数PCS(x,y)，计算IDSnew、C、D，通过阅读器转发消息C||D给标签，继续s7；
s7.标签接收消息，并利用消息C、D，以及本地数据ID、N2、IDS计算N3、IDSnew’、D′，验证等式D′＝D能否成立；若等式成立，则标签认证读写器成功，标签更新假名IDS；否则标签认证读写器失败，认证过程终止。
s8.重复上述s3-s7；在预定的时间内，直到后台服务器中群组Fx的所属的标签全部认证成功，则群组认证成功，否则认证超时，群组认证失败。
其中快捷认证模式认证过程如下：
c1.阅读器中的随机数发生器产生随机数N1；然后选中群组Fx，广播消息(Query||Fx||N1)；
c2.标签收到消息之后，检查本地群组标识Fx与收到的群组标识是否一致，如果一致，则标签处于激活状态，跳转到c3；否则标签处于静默状态，认证过程终止。
c3.被激活的标签i利用本地消息Nx，标签标识ID，标签预标识IDF，函数SLEPA(x,y)按照对应的公式计算N2、A、B、C，更新秘密数Nx；然后通过阅读器发送消息Fx||A||B||C给后台服务器；
c4.服务器收到消息之后，按照公式分别计算N2、B’，验证等式B＝B’是否成立；若等式成立，则表示阅读器认证标签成功，计算得到IDF；跳转至c5；
c5.取IDF的后32bit位为IDFx，服务器在预定时间内，验证IDFx1⊕IDFx2⊕...IDFxn结果为特定值P，IDFx1⊕IDFx2⊕...IDFxn是否为特定值Q，如果验证成功，则群组认证成功，如果验证失败，或者认证超时，则群组认证失败。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中函数SLEPA(x,y)由线性反馈移位寄存器(LFSR)和两个非线性函数PCS(x,y)、NLEA(x,y)组成；硬件上，只要标签具有位运算的能力，就可以实现PCS(x,y)和NLEA(x,y)函数，而且LFSR机制也只需要硬件具有异或运算和移位运算能力，因此SLEPA(x,y)函数具有超轻量级的性质。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法中函数PCS(x,y)、NLEA(x,y)中的常量O表示将1左移对应服务器的CPU位数，并减1(如32bitCPU，则O＝2^32-1)。
4.根据权利要求3所述的产品，其特征在于，所述方法中函数SLEPA(x,y)中的常量M表示获得对应服务器的CPU位数的整数，将其前半部分bit位置0，后半部分bit位置1(如32bitCPU，M＝0x00001111)。
5.根据权利要求4所述的产品，其特征在于，所述方法中函数SLEPA(x,y)中的常量表示获得对应服务器的CPU位数的整数，将其前半部分bit位置1，后半部分bit位置0(如32bitCPU，N＝0x11110000)。
6.根据权利要求5所述的产品，其特征在于，所述方法中安全认证模式s3中N2、A、B的计算公式以及更新秘密数Nx的方法如下：
N2＝SLEPA(Nx,N1)；
Nx＝N2。
7.根据权利要求6所述的产品，其特征在于，所述方法中安全认证模式s5中计算N2、B’的公式如下：
。
8.根据权利要求7所述的重组数据包中提取特征向量方法，其特征在于，所述方法中安全认证模式s6中更新IDSold，计算IDSnew、C、D的公式如下：
IDSold＝IDSnew；
。
9.据权利要求8所述方法，其特征在于，所述方法中安全认证模式s7中计算N3、IDSnew’、D′以及标签更新假名IDS的方法如下：
IDS＝IDSnew。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法中快捷认证模式c3中计算N2、A、B、C的公式和更新秘密数Nx的方法如下：
N2＝SLEPA(Nx,N1)；
Nx＝N2。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法中快捷认证模式c4中计算N2、B’的公式如下：
。
12.据权利要求11所述的方法，所述方法中快捷认证模式c5中P的值为0，Q的值为
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