CN111046413B - 一种rfid通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种RFID通信方法及系统。阅读器发送查询命令到标签，标签启动内部PUF电路，提取密钥，加密一个系统设定的校验码，发送回阅读器；阅读器查询预先登记的标签密钥库，对加密的校验码进行解密尝试，直至成功解密出校验码，得到密钥。阅读器发送后续命令到标签，发送信息用上述查询到的密钥进行加密，标签使用提取到的密钥对接收到的信息进行解密，并使用该密钥对发送回阅读器的信息进行加密。阅读器用上述查询到的密钥对接收到的标签信息进行解密，通信结束，标签关闭内部PUF电路，删除密钥。本发明的阅读器与标签之间的通信信息使用密钥加密，并采用PUF电路提取密钥的方法，提高了系统安全性。

Description

一种RFID通信方法及系统
技术领域
本发明属于RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)技术领域，更具体地，涉及一种结合PUF(Physical Unclonable Functions，物理不可克隆函数)技术的RFID通信方法及系统。
背景技术
RFID是将集成电路与无线通信技术结合而产生的一种射频识别技术。工作频率上，RFID分为低频125KHz到134KHz、高频13.56MHz、超高频860MHz到960MHz、微波2.45G、5.8G几个频段。工作方式上，RFID主要可以分为无源RFID和有源RFID两种。
PUF技术是一种通过提取集成电路制造过程中不可避免产生的随机差异，生成不可预测、不可复制、不可篡改的密钥的电路技术。和传统安全解决方案不同的是，PUF技术可以动态生成无限多个特有的密钥，无需为加密而储存密钥，因而在安全防伪领域具有巨大的应用前景。
传统RFID技术将标签ID或者密钥存储于标签内部的非易失性存储器中，且阅读器与标签之间的通信不经过加密。对于身份识别、安全认证等应用场合，容易通过信息截取、信息复制等方法破解密钥信息并伪造标签，危害系统的安全性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种结合了PUF技术的RFID通信方法及系统。标签通过集成PUF电路可提取出不可预测、复制和篡改的加密密钥，且无需存储。阅读器与标签之间的通信信息使用上述密钥进行加密，即使信息泄漏也无法破解得到真实的信息，能显著提高RFID系统的安全性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种RFID通信方法，包括如下步骤：
阅读器发送查询命令到标签，以激活标签；
标签接收到查询命令后，启动其内部的PUF电路，提取出PUF电路生成的密钥，用提出的密钥加密RFID通信系统预先设定的校验码，将加密的校验码发回阅读器；
阅读器接收到加密的校验码，查询预先登记的标签-密钥库，得到与标签对应的密钥，利用查询到的密钥对加密的校验码进行解密尝试，直至成功解密出校验码；
阅读器与标签成功建立通信联接。
在一些实施例中，阅读器与标签成功建立通信联接后，还包括如下步骤：
阅读器用查询到的密钥对后续待发送的信息进行加密后，再发送到标签；
标签接收到阅读器发送的加密的后续信息后，使用提取的密钥对接收到的信息进行解密，得到阅读器发送的信息并进行响应，生成响应信息，再使用提取的密钥对生成的响应信息进行加密后发回阅读器；
阅读器接收到标签发送的加密的响应信息后，用查询到的密钥对接收到的加密的响应信息进行解密，得到标签的响应信息；
阅读器与标签的通信结束，标签关闭其内部的PUF电路，删除提取的密钥。
在一些实施例中，阅读器与标签采用相同的加密算法，每个标签内部，PUF电路每次生成的密钥相同，且标签每次提取的密钥与阅读器的预先登记的标签-密钥库中与该标签对应的密钥相同。
在一些实施例中，RFID通信系统根据标签的总数确定密钥的长度，RFID通信系统中每个标签提取的密钥各不相同。
在一些实施例中，预先登记标签-密钥库具体包括以下步骤：
在安全环境中，RFID通信系统内的所有标签依次提取出其内部的PUF电路生成的密钥，将提取的密钥发送给阅读器；
阅读器依次接收各标签发送的密钥，并将各标签对应的密钥记录于标签-密钥库中；
登记完成后，各标签删除提取的密钥。
在一些实施例中，如果标签没有采用阅读器的预先登记的标签-密钥库中的密钥加密校验码，则阅读器无法从标签密钥库中查询到有效的标签密钥，则无法解密出校验码，此时认定标签无效，结束进一步的通信。
按照本发明的另一方面，提供了一种RFID通信系统，包括阅读器和标签；阅读器包括第一加密解密模块、密钥查询模块和标签-密钥库，标签包括第二加密解密模块、密钥提取模块和PUF电路；PUF电路用于在标签收到阅读器发送的查询命令后，生成密钥；密钥提取模块用于提取PUF电路生成的密钥；第二加密解密模块用于用密钥提取模块提取的密钥加密RFID系统预先设定的校验码，并将加密的校验码发回阅读器；标签-密钥库用于存储预先登记的标签-密钥信息；密钥查询模块用于在接收到标签发送的加密的校验码后，查询预先登记的标签-密钥库，得到与标签对应的密钥；第一加密解密模块用于用密钥查询模块查询到的密钥对标签发送的加密的校验码进行解密；阅读器在第一加密解密模块成功解密出校验码后，与标签成功建立通信联接。
在一些实施例中，第一加密解密模块还用于在阅读器与标签成功建立通信联接后，用密钥查询模块查询到的密钥对阅读器后续待发送的信息进行加密后，再发送到标签。
在一些实施例中，第二加密解密模块还用于在阅读器与标签成功建立通信联接后，接收到阅读器发送的加密的后续信息后，用密钥提取模块提取的密钥对接收到的信息进行解密，得到阅读器发送的信息并进行响应，生成响应信息，再用密钥提取模块提取的密钥对生成的响应信息进行加密后发回阅读器。
在一些实施例中，第一加密解密模块还用于在阅读器与标签成功建立通信联接后，接收到标签发送的加密的响应信息后，用密钥查询模块查询到的密钥对接收到的加密的响应信息进行解密，得到标签的响应信息。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：用集成PUF电路提取密钥的方法取代用非易失性存储器存储密钥的方法，使用时启动PUF电路，提取出密钥，不使用时关闭PUF电路，删除密钥。因此，标签无需存储密钥，且PUF电路提取的密钥具有不可预测、复制和篡改的特性，解决了密钥的安全性问题。进一步地，阅读器和标签均使用上述PUF电路提取的密钥，并采用相同的加密算法对通信信息进行加密，只有获取真正的密钥才能解密出真实信息，解决了通信的安全性问题。
附图说明
图1是本发明实施例的RFID通信方法的流程示意图；
图2是本发明实施例的RFID通信系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的RFID通信方法，包括如下步骤：
(1)阅读器与标签开始通信：阅读器发送射频载波信号和查询命令到标签，以激活标签。
(2)标签接收到射频载波信号和查询命令后，对阅读器进行响应：标签启动其内部的PUF电路，提取出PUF电路生成的密钥，用提取的密钥加密RFID通信系统预先设定的校验码，将加密的校验码发回阅读器。
在一些实施例中，RFID通信系统根据标签的总数确定密钥的长度。在一些实施例中，标签内部的PUF电路具有足够多的位数，能生成具有足够长度的密钥，每个标签能提取出具有足够长度的密钥，以保证RFID通信系统中每个标签提取的密钥各不相同，满足RFID通信系统应用要求。
在一些实施例中，预先设定的校验码记录于阅读器和标签内部。
(3)阅读器接收到加密的校验码，查询预先登记的标签-密钥库，得到与标签对应的密钥，利用查询到的密钥对加密的校验码进行解密尝试，直至成功解密出校验码。阅读器与标签成功建立通信联接。
在一些实施例中，在预先登记阶段，在安全环境中对RFID通信系统内的所有标签及各标签内PUF电路生成的密钥进行登记，并将所有的标签-密钥信息存储于阅读器的标签-密钥库中。
在一些实施例中，预先登记标签-密钥库具体包括以下步骤：
(A)在安全环境中，RFID通信系统内的所有标签依次提取出其内部的PUF电路生成的密钥，将提取的密钥发送给阅读器。
(B)阅读器依次接收各标签发送的密钥，并将各标签对应的密钥记录于标签-密钥库中。
(C)登记完成后，各标签删除提取的密钥。
在一些实施例中，在每个标签内部，PUF电路通过纠错或者其他方法，保证每次生成的密钥相同，不会产生变化，进而使得标签每次提取的密钥与阅读器的预先登记的标签-密钥库中与该标签对应的密钥相同。
在一些实施例中，如果标签没有采用阅读器的预先登记的标签-密钥库中的密钥加密校验码，则阅读器无法从标签密钥库中查询到有效的标签密钥，则无法解密出校验码，此时认定标签无效，结束进一步的通信。
(4)与标签建立通信联接后，阅读器用查询到的密钥对后续待发送的信息进行加密后，再发送到标签。
在一些实施例中，阅读器在发送后续的所有信息至标签时，均先将待发送的信息用查询到的密钥进行加密，再发送到标签。
在一些实施例中，阅读器与标签采用相同的加密算法，该算法使用同一个密钥对信息进行加密和解密。在一些实施例中，对标签用密钥加密的信息，阅读器只有使用相同的密钥才能解密该信息。在一些实施例中，对阅读器用密钥加密的信息，标签只有使用相同的密钥才能解密该信息。
(5)标签接收到阅读器发送的加密的后续信息后，使用提取的密钥对接收到的信息进行解密，得到阅读器发送的信息并进行响应，生成响应信息，再使用提取的密钥对生成的响应信息进行加密后发回阅读器。
(6)阅读器接收到标签发送的加密的响应信息后，用查询到的密钥对接收到的加密的响应信息进行解密，得到标签的响应信息。
(7)阅读器与标签的通信结束，标签关闭其内部的PUF电路，删除提取的密钥。
如图2所示，本发明实施例的与前述RFID通信方法对应的RFID通信系统包括阅读器和标签。阅读器包括第一加密解密模块、密钥查询模块和标签-密钥库，标签包括第二加密解密模块、密钥提取模块和PUF电路。
PUF电路用于在标签收到阅读器发送的射频载波信号和查询命令后，生成密钥。密钥提取模块用于提取PUF电路生成的密钥。第二加密解密模块用于用密钥提取模块提取的密钥加密RFID系统预先设定的校验码，并将加密的校验码发回阅读器。
标签-密钥库用于存储预先登记的标签-密钥信息，该标签-密钥信息通过在安全环境中对RFID通信系统内的所有标签和各标签内PUF电路生成的密钥进行登记得到。密钥查询模块用于在接收到标签发送的加密的校验码后，查询预先登记的标签-密钥库，得到与标签对应的密钥。第一加密解密模块用于用密钥查询模块查询到的密钥对标签发送的加密的校验码进行解密尝试，直至成功解密出校验码。
第一加密解密模块还用于在阅读器与标签成功建立通信联接后，用密钥查询模块查询到的密钥对阅读器后续待发送的信息进行加密后，再发送到标签。
标签的第二加密解密模块还用于在阅读器与标签成功建立通信联接后，接收到阅读器发送的加密的后续信息后，用密钥提取模块提取的密钥对接收到的信息进行解密，得到阅读器发送的信息并进行响应，生成响应信息，再用密钥提取模块提取的密钥对生成的响应信息进行加密后发回阅读器。
阅读器的第一加密解密模块还用于在阅读器与标签成功建立通信联接后，接收到标签发送的加密的响应信息后，用密钥查询模块查询到的密钥对接收到的加密的响应信息进行解密，得到标签的响应信息。
本发明用集成PUF电路提取密钥的方法取代用非易失性存储器存储密钥的方法，使用时启动PUF电路，提取出密钥，不使用时关闭PUF电路，删除密钥。因此，标签无需存储密钥，且PUF电路提取的密钥具有不可预测、复制和篡改的特性，解决了密钥的安全性问题。进一步地，阅读器和标签均使用上述PUF电路提取的密钥，并采用相同的加密算法对通信信息进行加密，只有获取真正的密钥才能解密出真实信息，解决了通信的安全性问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种RFID通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
预先设定校验码，并将预先设定的校验码记录于阅读器和标签内部；
预先登记标签-密钥库，使得标签-密钥库包含标签信息以及标签内PUF电路生成的密钥信息；
阅读器发送查询命令到标签，以激活标签；
标签接收到查询命令后，启动其内部的PUF电路，提取出PUF电路生成的密钥，用提取出的密钥加密预先设定的校验码，将加密的校验码发回阅读器；
阅读器接收到加密的校验码，查询预先登记的标签-密钥库，得到与标签对应的密钥，利用查询到的密钥对加密的校验码进行解密尝试，直至成功解密出校验码；
阅读器与标签成功建立通信联接；
阅读器与标签成功建立通信联接后，所述方法还包括如下步骤：
阅读器用查询到的密钥对后续待发送的信息进行加密后，再发送到标签；
标签接收到阅读器发送的加密的后续信息后，使用提取的密钥对接收到的信息进行解密，得到阅读器发送的信息并进行响应，生成响应信息，再使用提取的密钥对生成的响应信息进行加密后发回阅读器；
阅读器接收到标签发送的加密的响应信息后，用查询到的密钥对接收到的加密的响应信息进行解密，得到标签的响应信息；
阅读器与标签的通信结束，标签关闭其内部的PUF电路，删除提取的密钥；
其中，阅读器与标签采用相同的加密算法，每个标签内部，PUF电路每次生成的密钥相同，且标签每次提取的密钥与阅读器的预先登记的标签-密钥库中与该标签对应的密钥相同。
2.如权利要求1所述的RFID通信方法，其特征在于，RFID通信系统根据标签的总数确定密钥的长度，RFID通信系统中每个标签提取的密钥各不相同。
3.如权利要求1所述的RFID通信方法，其特征在于，预先登记标签-密钥库具体包括以下步骤：
在安全环境中，RFID通信系统内的所有标签依次提取出其内部的PUF电路生成的密钥，将提取的密钥发送给阅读器；
阅读器依次接收各标签发送的密钥，并将各标签对应的密钥记录于标签-密钥库中；
登记完成后，各标签删除提取的密钥。
4.如权利要求1所述的RFID通信方法，其特征在于，如果标签没有采用阅读器的预先登记的标签-密钥库中的密钥加密校验码，则阅读器无法从标签密钥库中查询到有效的标签密钥，则无法解密出校验码，此时认定标签无效，结束进一步的通信。
5.一种RFID通信系统，其特征在于，包括阅读器和标签；所述阅读器和所述标签内部记录有预先设定的校验码；所述阅读器包括第一加密解密模块、密钥查询模块和标签-密钥库，所述标签包括第二加密解密模块、密钥提取模块和PUF电路；
所述PUF电路用于在所述标签收到所述阅读器发送的查询命令后，生成密钥；所述密钥提取模块用于提取所述PUF电路生成的密钥；所述第二加密解密模块用于用所述密钥提取模块提取的密钥加密所述预先设定的校验码，并将加密的校验码发回所述阅读器；
所述标签-密钥库用于存储预先登记的所述标签的信息以及所述PUF电路生成的密钥信息；所述密钥查询模块用于在接收到所述标签发送的加密的校验码后，查询所述预先登记的标签-密钥库，得到与所述标签对应的密钥；所述第一加密解密模块用于用所述密钥查询模块查询到的密钥对所述标签发送的加密的校验码进行解密；所述阅读器在所述第一加密解密模块成功解密出校验码后，与所述标签成功建立通信联接；
所述第一加密解密模块还用于在所述阅读器与所述标签成功建立通信联接后，用所述密钥查询模块查询到的密钥对所述阅读器后续待发送的信息进行加密后，再发送到所述标签；
所述第二加密解密模块还用于在所述阅读器与所述标签成功建立通信联接后，接收到所述阅读器发送的加密的后续信息后，用所述密钥提取模块提取的密钥对接收到的信息进行解密，得到所述阅读器发送的信息并进行响应，生成响应信息，再用所述密钥提取模块提取的密钥对生成的响应信息进行加密后发回所述阅读器；
所述第一加密解密模块还用于在所述阅读器与所述标签成功建立通信联接后，接收到所述标签发送的加密的响应信息后，用所述密钥查询模块查询到的密钥对接收到的加密的响应信息进行解密，得到所述标签的响应信息；
其中，所述阅读器与所述标签采用相同的加密算法，每个所述标签内部，所述PUF电路每次生成的密钥相同，且每个所述标签每次提取的密钥与阅读器的预先登记的标签-密钥库中与该标签对应的密钥相同。
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