CN107395354B - 一种轻量级的移动rfid系统认证方法 - Google Patents
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Abstract
在移动RFID系统中，读写器和后端数据库采用无线的方式进行通信，具有移动性强，便捷等优点。但由于是无线连接，使得在该链路下的通信存在安全隐患，容易受到假冒、重放等攻击，从而导致用户隐私的泄露。因此设计一种安全有效的移动RFID系统双向认证协议是很重要的。本发明提出了一种轻量级的移动RFID系统认证方法，通过此方法解决了移动RFID系统中后台数据库、标签及读写器三方之间相互认证的问题。
Description
技术领域
本发明涉及射频识别技术领域，特别涉及一种移动RFID系统中后台数据库、标签与读写器三方之间认证的方法。
背景技术
近年来为实现智慧地球的目标，物联网迅速发展。作为物联网发展的排头兵，无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术成为了市场上最关注的技术之一。它利用无线电讯号无需接触的识别目标并读写相关数据，因此广泛应用于身份证件、供应链及车辆收费等领域。
射频识别系统一般由后台数据库、标签及读写器三部分组成。传统意义上，读写器与后端数据库之间通过有线连接，一般视为安全的通信。但随着物联网和无线通信的紧密结合，移动支付等业务的快速发展，移动RFID系统开始受到广泛的关注。在移动RFID系统中，读写器和后端数据库采用无线的方式进行通信，具有移动性强，便捷等优点。但由于是无线连接，使得在该链路下的通信存在安全隐患，容易受到假冒、重放等攻击，从而导致用户隐私的泄露。因此设计一种安全有效的移动RFID系统双向认证协议是很重要的。
发明内容
本发明提出了一种轻量级的移动RFID系统认证方法，通过此方法解决了移动RFID系统中后台数据库、标签及读写器三方之间相互认证的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案分为以下十五个步骤：
(1)读写器产生随机数r1，并向标签发送认证请求命令及r1。
(2)标签计算M1，M2_L，M2_R的值，并向读写器发送M1，M2_R。
(3)读写器根据M1，M2_R验证标签的真伪，为真，进行步骤(4)；否则，协议终止。
(4)读写器计算M3，M4_L，M4_R的值，并向标签发送M3，M4_R。
(5)标签根据M3，M4_R验证读写器的真伪，为真，进行步骤(6)；否则，协议终止。
(6)标签向读写器发送确定指令。
(7)读写器向后台数据库发送M2_R，M4_R，r1。
(8)后台数据库根据M4_R验证读写器的真伪，为真，进行步骤(9)；否则，进行步骤(10)。
(9)后台数据库根据M2_R验证标签的真伪，为真，进行步骤(11)；否则，进行步骤(10)。
(10)后台数据库用上一轮的共享密钥K_old再次验证读写器及标签的真伪，两者同时为真，进行步骤(11)；否则，协议终止。
(11)后台数据库产生随机数r2，计算M5，M6，M7，同时更新共享密钥，并向读写器传送M5，M6，M7。
(12)读写器根据M5，M7验证后台数据库的真伪，为真，进行步骤(13)；否则，协议终止。
(13)读写器向标签传送M6，M7，并读写器更新共享密钥。
(14)标签根据M6，M7验证后台数据库的真伪，为真，进行步骤(15)；否则，协议终止。
(15)标签更新共享密钥，到此后台数据库、读写器、标签三方认证顺利结束。
在步骤(1)中，读写器产生随机数r1，并向标签发送认证请求命令及r1。
在步骤(2)中，标签计算M1，M2_L，M2_R的值，并向读写器发送M1，M2_R。
在步骤(3)中，读写器根据M1，M2_R验证标签的真伪，为真，进行步骤(4)；否则，协议终止。
在步骤(4)中，读写器计算M3，M4_L，M4_R的值，并向标签发送M3，M4_R。
在步骤(5)中，标签根据M3，M4_R验证读写器的真伪，为真，进行步骤(6)；否则，协议终止。
在步骤(6)中，标签向读写器发送确定指令。
在步骤(7)中，读写器向后台数据库发送M2_R，M4_R，r1。
在步骤(8)中，后台数据库根据M4_R验证读写器的真伪，为真，进行步骤(9)；否则，进行步骤(10)。
在步骤(9)中，后台数据库根据M2_R验证标签的真伪，为真，进行步骤(11)；否则，进行步骤(10)。
在步骤(10)中，后台数据库用上一轮的共享密钥K_old再次验证读写器及标签的真伪，两者同时为真，进行步骤(11)；否则，协议终止。
在步骤(11)中，后台数据库产生随机数r2，计算M5，M6，M7，同时更新共享密钥，并向读写器传送M5，M6，M7。
在步骤(12)中，读写器根据M5，M7验证后台数据库的真伪，为真，进行步骤(13)；否则，协议终止。
在步骤(13)中，读写器向标签传送M6，M7，并读写器更新共享密钥。
在步骤(14)中，标签根据M6，M7验证后台数据库的真伪，为真，进行步骤(15)；否则，协议终止。
在步骤(15)中，标签更新共享密钥，到此后台数据库、读写器、标签三方认证顺利结束。
附图说明
图1是字合成运算流程图；
图2是移动RFID系统认证流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
对协议中出现的符号进行如下说明：
R：读写器；
T：标签；
DB：后台数据库；
ID_T：标签T的标识符；
IDR：读写器R的标识符；
K_L：本轮认证的共享密钥K的左半部分；
K_R：本轮认证的共享密钥K的右半部分；
K：本轮认证的共享密钥；
K_old：上轮认证的共享密钥；
r1：读写器产生的随机数；
r2：后台数据库产生的随机数；
gK(X,Y)：基于共享密钥的伪随机函数；
[gK(X,Y)]L：取gK(X,Y)运算结果的左半部分；
[gK(X,Y)]R：取gK(X,Y)运算结果的右半部分；
Syn(X,Y)：字合成运算；
M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7：通信消息。
设X、Y是两个具有L位的二进制数，X＝x1x2x3...xL，Y＝y1y2y3...yL；其中，xi，yi取值范围为{0，1}，i＝1，2，..L，Syn(X，Y)＝YL-M+1YL-M+2···YLX1X2···XL-M；字合成运算Syn(X，Y)是指由X的前L-M位与Y的后M位组合而形成新的L位数组；其中M的设定为：M＝Hw(Y)，也可以为M＝L-Hw(Y)；或者是M＝Hw(X)，也可以为M＝L-Hw(X)；或者是M＝Hd(X,Y)，也可以为M＝L-Hd(X,Y)；Hw(X)表示为X的汉明重量，Hw(Y)表示为Y的汉明重量，Hd(X,Y)表示为X与Y的汉明距离。
例如，取长度L＝12，设X＝110000111000，Y＝011111010100，设定M＝Hw(Y)＝7，则根据上述字合成运算的定义可以得到Syn(X，Y)＝101010011000，具体运算过程如图1所示。该运算只需要移位以及按位或运算既可以实现，从而可以有效的降低标签的计算量和存储空间，最终达到降低标签成本的目标。上例中M可以根据需要设定其他不同的数值，在这里不再一一的列出其实现的过程，并且在运用过程中M的值要保密，以防攻击者恶意攻击，M的值保密，使得攻击者没有办法进行暴力破解攻击。
为了使算法具有一定的使用价值，规定该算法可以在如下场景中使用以及作出以下假设：假设后台数据库、标签及读写器之间共享的K、K_L、K_R、ID_T及IDR是安全可靠的，且攻击者事先不知晓该信息；假设标签与读写器之间的通信信道是不安全的，假设读写器与后台数据库之间的通信信道是不安全的。移动RFID系统认证算法具体过程如图2所示：
对图2中出现的符号M1，M2_L，M2_R，M3，M4_L，M4_R，M5，M6，M7的说明：
整个移动RFID系统认证算法步骤描述如下：
(1)读写器首先产生一个随机数r1，然后将随机数r1连同认证请求命令Request一并传送给标签。
(2)标签在接收到读写器发送来的信息后，首先用自身存放的ID_T、K_L、K_R来计算M1，用自身存放的ID_T、K及接收到的r1来计算M2_L、M2_R；然后将M1、M2_R传送给读写器。
其中
(3)读写器在接收到标签发送来的信息后，首先用自身存放的K_L、K_R及接收到的M1来计算ID_T`，接着用计算得到的ID_T`、自身存放的K及自身产生的r1来计算M2_R`，然后比对计算得到的M2_R`与接收到的M2_R的值。
若两者值相等，说明标签为真，进行步骤5，同时表明计算得到的ID_T`与ID_T相同。若两者值不相等，说明标签是伪造的，协议终止，同时表明计算得到的ID_T`与ID_T不相同。
其中
(4)读写器用自身存放的IDR、K_L、K_R来计算M3，用自身存放的K、IDR及自身产生的r1来计算M4_L、M4_R，并向标签发送M3，M4_R。
其中
(5)标签在接收到读写器发送来的信息后，首先用自身存放的K_L、K_R及接收到的M3来计算IDR`，接着用计算得到的IDR`、自身存放的K及接收到的r1来计算M4_R`，然后比对计算得到的M4_R`与接收到的M4_R的值。
若两者值相等，说明读写器为真，进行步骤7，同时表明计算得到的IDR`与IDR相同。若两者值不相等，说明读写器是伪造的，协议终止，同时表明计算得到的IDR`与IDR不相同。
其中
(6)标签向读写器确认指令Sure。到此标签与读写器之间的双向认证结束，下面开始后台数据库与读写器、标签之间的三方认证。
(7)读写器在接收到标签发送来的信息之后，读写器将自身产生的r1、计算得到的M4_R及接收的M2_R一并传送给后台数据库。
(8)后台数据库在接收到读写器发送来的信息后，首先后台数据库检索自身存放的IDR``、接收到的r1及自身存放的K来计算M4_R``，然后比对计算得到的M4_R``与接收到的M4_R的值。
若两者的值相等，说明读写器为真，后台数据库验证读写器通过，进行步骤10，同时也表明计算得到的M4_R``与接收到的M4_R相同。若两者的值不相等，则进行步骤11。
其中
(9)接着后台数据库检索自身存放的ID_T``、接收到的r1及自身存放的K来计算M2_R``，然后比对计算得到的M2_R``与接收到的M2_R的值。
若两者的值相等，说明标签为真，后台数据库验证标签通过，进行步骤12，同时也表明计算得到的M2_R``与接收到的M2_R相同。若两者的值不相等，则进行步骤11。
其中
(10)后台数据库用上一轮的共享密钥K_old的值替代K重新计算M2_R```、M4_R```，然后比对计算得到的M2_R```与接收到的M2_R的值、比对计算得到的M4_R```与接收到的M4_R的值。
若M2_R```与M2_R两者值相等，且M4_R```与M4_R两者值相等，说明标签及读写器都为真，后台数据库验证标签及读写器都通过，进行步骤12。否则，说明标签及读写器两者之中至少有一方是伪造的，协议终止。
其中
(11)后台数据库产生一个随机数r2，接着用接收到的M4_R、自身产生的r2来计算M5，用接收到的M2_R、自身产生的r2来计算M6，用自身存放的K_L、K_R及自身产生的r2来计算M7，同时更新共享密钥K_old＝K、K＝K_new，最后向读写器发送M5，M6，M7。
其中
(12)读写器在接收到后台数据库发送来的信息后，首先读写器用自身计算得到的M4_R及接收到的M5来计算r2`，接着用计算得到的r2`、自身存放的K_L及K_R来计算M7`，然后比对计算得到的M7`与接收到的M7的值。
若两者的值相等，说明后台数据库为真，读写器验证后台数据库通过，进行步骤14。若两者的值不相等，说明后台数据库是伪造的，协议终止。
其中
(13)读写器向标签传送M6，M7，同时读写器更新共享密钥
(14)标签在接收到读写器发送来的信息后，首先标签用自身计算得到的M2_R及接收到的M6来计算r2``，接着用计算得到的r2``、自身存放的K_L及K_R来计算M7``，然后比对计算得到的M7``与接收到的M7的值。
若两者的值相等，说明后台数据库为真，标签验证后台数据库通过，进行步骤16。若两者的值不相等，说明后台数据库是伪造的，协议终止。
其中
(15)标签更新共享密钥
到此后台数据库与读写器、标签三方之间的认证结束。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (1)
1.一种轻量级的移动RFID系统认证方法，其特征包含于以下步骤：
(1)读写器产生随机数r1，并向标签发送认证请求命令及r1；
(2)标签计算M1，M2_L，M2_R的值，并向读写器发送M1，M2_R；
(3)读写器根据M1，M2_R验证标签的真伪，为真，进行步骤(4)；否则，协议终止；
(4)读写器计算M3，M4_L，M4_R的值，并向标签发送M3，M4_R；
(5)标签根据M3，M4_R验证读写器的真伪，为真，进行步骤(6)；否则，协议终止；
(6)标签向读写器发送确定指令；
(7)读写器向后台数据库发送M2_R，M4_R，r1；
(8)后台数据库根据M4_R验证读写器的真伪，为真，进行步骤(9)；否则，进行步骤(10)；
(9)后台数据库根据M2_R验证标签的真伪，为真，进行步骤(11)；否则，进行步骤(10)；
(10)后台数据库用上一轮的共享密钥K_old再次验证读写器及标签的真伪，两者同时为真，进行步骤(11)；否则，协议终止；
(11)后台数据库产生随机数r2，计算M5，M6，M7，同时更新共享密钥，并向读写器传送M5，M6，M7；
(12)读写器根据M5，M7验证后台数据库的真伪，为真，进行步骤(13)；否则，协议终止；
(13)读写器向标签传送M6，M7，并读写器更新共享密钥；
(14)标签根据M6，M7验证后台数据库的真伪，为真，进行步骤(15)；否则，协议终止；
(15)标签更新共享密钥，到此后台数据库、读写器、标签三方认证顺利结束；
其中，
ID_T：标签T的标识符；IDR：读写器R的标识符；
K_L：本轮认证的共享密钥K的左半部分；
K_R：本轮认证的共享密钥K的右半部分；
K：本轮认证的共享密钥；
K_old：上轮认证的共享密钥；
r1：读写器产生的随机数；
r2：后台数据库产生的随机数；
gK(X,Y)：基于共享密钥的伪随机函数；
[gK(X,Y)]L：取gK(X,Y)运算结果的左半部分；
[gK(X,Y)]R：取gK(X,Y)运算结果的右半部分；
Syn(X,Y)：字合成运算；
M1,M2,M3,M4,M5,M6,M7：通信消息；
读写器首先产生一个随机数r1，然后将随机数r1连同认证请求命令Request一并传送给标签；
标签在接收到读写器发送来的信息后，首先用自身存放的ID_T、K_L、K_R来计算M1，用自身存放的ID_T、K及接收到的r1来计算M2_L、M2_R；然后将M1、M2_R传送给读写器；
读写器在接收到标签发送来的信息后，首先用自身存放的K_L、K_R及接收到的M1来计算ID_T`，接着用计算得到的ID_T`、自身存放的K及自身产生的r1来计算M2_R`，然后比对计算得到的M2_R`与接收到的M2_R的值；
若两者值相等，说明标签为真，进行步骤5，同时表明计算得到的ID_T`与ID_T相同；若两者值不相等，说明标签是伪造的，协议终止，同时表明计算得到的ID_T`与ID_T不相同；
读写器用自身存放的IDR、K_L、K_R来计算M3，用自身存放的K、IDR及自身产生的r1来计算M4_L、M4_R，并向标签发送M3，M4_R；
标签在接收到读写器发送来的信息后，首先用自身存放的K_L、K_R及接收到的M3来计算IDR`，接着用计算得到的IDR`、自身存放的K及接收到的r1来计算M4_R`，然后比对计算得到的M4_R`与接收到的M4_R的值；
若两者值相等，说明读写器为真，进行步骤7，同时表明计算得到的IDR`与IDR相同；若两者值不相等，说明读写器是伪造的，协议终止，同时表明计算得到的IDR`与IDR不相同；
标签向读写器确认指令Sure；到此标签与读写器之间的双向认证结束，下面开始后台数据库与读写器、标签之间的三方认证；
读写器在接收到标签发送来的信息之后，读写器将自身产生的r1、计算得到的M4_R及接收的M2_R一并传送给后台数据库；
后台数据库在接收到读写器发送来的信息后，首先后台数据库检索自身存放的IDR``、接收到的r1及自身存放的K来计算M4_R``，然后比对计算得到的M4_R``与接收到的M4_R的值；
若两者的值相等，说明读写器为真，后台数据库验证读写器通过，进行步骤10，同时也表明计算得到的M4_R``与接收到的M4_R相同；若两者的值不相等，则进行步骤11；
接着后台数据库检索自身存放的ID_T``、接收到的r1及自身存放的K来计算M2_R``，然后比对计算得到的M2_R``与接收到的M2_R的值；若两者的值相等，说明标签为真，后台数据库验证标签通过，进行步骤12，同时也表明计算得到的M2_R``与接收到的M2_R相同；若两者的值不相等，则进行步骤11；其中
后台数据库用上一轮的共享密钥K_old的值替代K重新计算M2_R```、M4_R```，然后比对计算得到的M2_R```与接收到的M2_R的值、比对计算得到的M4_R```与接收到的M4_R的值；
若M2_R```与M2_R两者值相等，且M4_R```与M4_R两者值相等，说明标签及读写器都为真，后台数据库验证标签及读写器都通过，进行步骤12；否则，说明标签及读写器两者之中至少有一方是伪造的，协议终止；其中
后台数据库产生一个随机数r2，接着用接收到的M4_R、自身产生的r2来计算M5，用接收到的M2_R、自身产生的r2来计算M6，用自身存放的K_L、K_R及自身产生的r2来计算M7，同时更新共享密钥K_old＝K、K＝K_new，最后向读写器发送M5，M6，M7；
其中
读写器在接收到后台数据库发送来的信息后，首先读写器用自身计算得到的M4_R及接收到的M5来计算r2`，接着用计算得到的r2`、自身存放的K_L及K_R来计算M7`，然后比对计算得到的M7`与接收到的M7的值；
若两者的值相等，说明后台数据库为真，读写器验证后台数据库通过，进行步骤14；若两者的值不相等，说明后台数据库是伪造的，协议终止；其中
读写器向标签传送M6，M7，同时读写器更新共享密钥
标签在接收到读写器发送来的信息后，首先标签用自身计算得到的M2_R及接收到的M6来计算r2``，接着用计算得到的r2``、自身存放的K_L及K_R来计算M7``，然后比对计算得到的M7``与接收到的M7的值；
若两者的值相等，说明后台数据库为真，标签验证后台数据库通过，进行步骤16；若两者的值不相等，说明后台数据库是伪造的，协议终止；
其中
标签更新共享密钥
到此后台数据库与读写器、标签三方之间的认证结束。
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