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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
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;
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;
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;
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