CN111131157A - 一种用于射频识别系统的多方认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于射频识别系统的多方认证方法，包括首先对标签和读写器之间进行双向认证，然后后台服务器对读写器进行认证，再然后后台服务器对标签进行认证；只有在二者都认证成功的情况下，后台服务器才会对相应数据进行更新操作。读写器对后台服务器进行验证，如果正确，标签对收到的读写器发来的信息进行正确性验证；如果不正确，终止认证；如果正确，认证成功，同步更新密钥。本发明方法可以保障无线射频系统中的各通信实体之间安全通信的效果，为物联网应用提供更多的安全保障。

Description

一种用于射频识别系统的多方认证方法

技术领域

本发明涉及物联网安全技术领域，具体涉及物联网中射频识别系统的认证安全。

背景技术

随着物联网的发展，物联网的安全问题也日益凸显。而射频识别系统的安全性是物联网系统中基础且重要的一个方面，所以射频识别系统安全的研究显得很必要。

射频识别技术是一种利用无线电信号实现的无接触信息传递，从而实现对目标标签对象进行识别和数据读写的技术。在射频识别系统中，其安全需求包括：

1.只有合法的读写器才能获取或更新相应的标签状态信息；

2.只有合法的标签才可以被合法的读写器获取或更新状态信息；

3.标签包含的隐秘信息需要经过加密；

4.每次发送的身份信息是变化的，变化前的值不能由变化后的信息推出，同样变化后的值不能由变化前的值推出；

5.针对攻击能够防范或者抵御。

针对以上的这些安全需求，就需要有适用的认证方法来实现。现目前已经有一些认证方法发存在，但是随着应用场景的需求变化，传统的认证方法的不适应性就出现了。在传统的射频识别系统中，往往将读写器端和后台服务器端作为一个整体，认为他们之间的通信是安全的，但实际情况是读写器端和后台服务器端已经趋于无线化，即这两端之间采用的是无线通信，因此他们之间的通信过程也存在安全隐患，如果不进行认证，就有可能遭受到攻击。

发明内容

本发明的目的在于为了解决移动场景的射频识别系统的安全问题，而提出的一种标签、读写器、后台服务器之间的相互认证方法，以确保通信实体间的安全性。以达到保障无线射频系统中的各通信实体之间安全通信的效果，为物联网应用提供更多的安全保障。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于射频识别系统的多方认证方法，包括以下步骤：

标签和读写器之间进行双向认证，完成该双向认证后，读写器将读写器产生第一验证信息和第二验证信息、标签产生的证信息、标签身份识别码以及读写器身份识别码传送给后台服务器。

后台服务器收到消息后，先对读写器进行认证，然后再对标签进行认证；只有在二者都认证成功的情况下，后台服务器才会对相应数据进行更新操作；后台服务器产生验证信息并发送给读写器。

读写器对后台服务器发来的消息进行正确性验证，如果正确，读写器对后台服务器的认证成功；读写器产生第三验证信息，并与后台服务器的验证信息一起发送给标签。

标签对收到的读写器发来的信息进行正确性验证；如果不正确，标签对读写器和后台服务器的认证失败，终止认证；如果正确，标签对读写器和后台服务器的认证成功，同步更新密钥。

具体地，上述后台服务器对读写器进行认证的过程为：

后台服务器查找是否存在读写器身份识别码ID_R，如果不存在，认证终止；

如果存在，找到ID_R对应的标签身份识别码ID_T、后台服务器密钥K_S，然后与读写器第一验证信息V₁、V₂分别通过异或运算得到x₁″、x₂″，比较x₁″和x₂″是否相等，如果不相等，则认证终止；

如果相等，则后台服务器使用ID_R、K_S、读写器产生的随机数x通过指定哈希函数计算得到V₆′，比较V₆′和读写器第二验证信息V₆是否相等，若不相等，认证终止；如果相等，则读写器认证成功。

具体地，上述后台服务器对标签进行认证的过程为：

后台服务器查找标签身份识别码ID_T是否存在，如果不存在，终止认证；

如果存在，找到ID_T对应的读写器身份识别码ID_R、后台服务器密钥K_S，然后与ID_T、K_S、读写器产生的随机数x通过指定哈希函数得V₄″，并与标签产生的证信息V₄比较是否相等；如果不相等，说明标签不合法，认证终止，如果相等，则标签认证成功。

进一步，后台服务器对读写器和标签都认证成功后：

后台服务器产生一个随机数y；

使用ID_T、ID_R、K_S、x、y通过异或运算和位替换计算，后台服务器产生验证信息V₇、V₈、V₉，将它们发送给读写器；

后台服务器更新秘钥K_S。

根据上述步骤的说明，本发明在系统的三个端进行了相互认证，这是与传统的只在两个端进行认证的方法相比较有着更高的安全性。并且在整个认证过程中，每一个端都会产生相应的验证消息，这些验证消息是相互的运算因子和结果，因此针对假冒类别的攻击，本发明具有较高的防范和抵御能力。

附图说明

图1为发明认证模型；

图2为本发明认证流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行进一步详细说明，但并不用于限定本发明。

下表是对本发明中的符号说明：

符号	说明
		x	读写器产生的随机数
y	后台服务器产生的随机数
		K<sub>R</sub>	读写器持有的密钥
K<sub>T</sub>	标签持有的密钥
		K<sub>S</sub>	后台服务器持有的密钥
ID<sub>T</sub>	标签身份识别码
		ID<sub>R</sub>	读写器身份坦别码
V<sub>1</sub>	由K<sub>R</sub>的一部分和x经过计算得到
		V<sub>2</sub>	由K<sub>k</sub>的一部分和x经过计算得到
V<sub>3</sub>	由K<sub>r</sub>的一部分、x和ID<sub>T</sub>经过计算得到
		V<sub>4</sub>	由K<sub>r</sub>、x和ID<sub>T</sub>经过计算得到
V<sub>5</sub>	由K<sub>k</sub>的一部分、x和ID<sub>R</sub>经过计算得到
		V<sub>6</sub>	由K<sub>k</sub>、x和ID<sub>R</sub>经过计算得到
V<sub>7</sub>	由y、K<sub>S</sub>和ID<sub>R</sub>经过计算得到
		V<sub>8</sub>	由y、K<sub>s</sub>和ID<sub>r</sub>经过计算得到
V<sub>9</sub>	由K<sub>s</sub>、x和y经过计算的到
		V<sub>10</sub>	由V<sub>9</sub>、K<sub>R</sub>和x经过计算得到
function<sub>S</sub>_set{...}	后台服务器的运算集合
		function<sub>R</sub>_set{...}	读写器的运算集合
function<sub>T</sub>_set{...}	标签的运算集合

步骤1：读写器产生一个随机数x，使用x与K_R异或运算计算出一组第一验证信息V₁、V₂，并将他们传送给标签。

步骤2：标签收到读写器发传来的信息后，进行下列操作：

(1)V₁、V₂分别与K_T进行异或运算，得到的两个数值分别为x₁、x₂，比较x₁与_x2是否相等。如果不相等，则判定读写器不合法，认证终止。

(2)如果相等，说明计算了正确的x。使用ID_T、K_T和x，通过异或运算和位替换计算一组标签验证信息值V₃、V₄，并将他们发送给读写器。

步骤3：读写器收到标签传来的信息后，进行下列操作：

(1)通过V₃和K_R的异或运算和位替换，可以得到ID_T。

(2)读写器使用ID_T、K_R和x通过指定哈希函数计算出V₄′，比较V₄′和V₄是否相等。如果不相等，则标签被判定为不合法的，认证终止。

(3)如果相等，说明计算出的ID_T是正确的。使用ID_R、K_R和x异或运算和指定哈希函数计算得到V₅、V₆，并将他们传递给标签。

步骤4：标签收到读写器传来的信息，进行如下操作：

(1)通过V₅和K_T异或运算和位替换得到ID_R。标签使用ID_R、K_T和x通过指定哈希函数计算得到V₆′，比较V₆′和V₆是否相等。如果不相等，判定读写器是不合法的，认证终止。

(2)如果相等，标签将ID_T发送给读写器。至此标签和读写器之间的双向认证就完成了。

步骤5：读写器与标签完成认证之后，将数据V₁、V₂、V₄、V₆、ID_T、ID_R传送给后台服务器。

步骤6：后台服务器收到消息后，需要先对读写器进行认证，然后再对标签进行认证。只有在都认证成功的情况下，后台服务器才会对相应数据进行更新操作。

后台服务器对读写器的认证：

(1)后台服务器查找是否存在ID_R，如果不存在，认证终止。如果存在进行(2)。

(2)找到ID_R对应的ID_T、K_S，然后与V₁、V₂分别异或运算得到x₁″、x₂″，比较x₁″和x₂″是否相等。如果不相等，则说明读写器是不合法的，认证终止。

(3)如果相等，则得到了正确的随机数x。后台服务器使用ID_R、K_S、x通过指定的哈希函数得到V₆′，比较V₆′和V₆是否相等。若不相等，判定读写器是不合法的，认证终止。如果相等，则读写器认证成功。

后台服务器对标签认证：

(1)后台服务器查找ID_T是否存在，如果不存在，终止认证。如果存在进行(2)。

(2)找到ID_T对应的ID_R、K_S，然后ID_T、K_S、x通过指定哈希函数计算得V₄″，并与V₄比较是否相等。如果不相等，说明标签不合法，认证终止。如果相等，则标签认证成功。

后台服务器对读写器和标签都认证成功后：

(1)后台服务器产生一个随机数y。

(2)使用ID_T、ID_R、K_S、x、y异或运算和位替换得到V₇、V₈、V₉，将他们发送给读写器。

(3)后台服务器更新秘钥K_S。

步骤7：读写器接收到后台服务器发来的消息，进行以下操作：

(1)读写器使用V₇、K_R、ID_R，通过异或运算得到y。

(2)读写器使用K_R、x、y位替换得V₉′，比较V₉′与V₉是否相等。如果不相等，说明后台服务器是不合法的，认定终止。如果相等，执行(3)。

(3)读写器使用V₉、x、K_R异或运算和位替换得到V₁₀，并将V₈和V₁₀发送给标签。

(4)读写器更新K_R。

步骤8：标签收到读写器发来的信息，进行一下操作：

(1)标签使用V₈、K_T、ID_T异或运算得到y。

(2)标签使用x、y、K_T异或运算和位替换得V₁₀′，比较V₁₀′与V₁₀是否相等。如果不相等，判定读写器和后台服务器为不合法，认证终止。如果相等，则说明读写器和后台服务器都合法。

(3)标签更新K_T。

至此，标签、读写器、后台方服务器之间的相互认证就完成了，可以进行安全的通信了。

以上描述了本发明的基本原理和过程，根据以往认证过程中可能受到的攻击，进行以下分析来说明本发明的安全性。

1.假冒攻击：

攻击方可以伪装成射频识别系统中的任何一方。

(1)当伪装成标签时：攻击方无法获取密钥K_T、标签识别码ID_T等信息，也就无法计算正确的V₃。在步骤3中，读写器就会判定为标签是不合法的，认证就会终止。

(2)当伪装成读写器时：攻击方给标签发送信息时，无法获取密钥K_R和随机数x，也就无法正确的计算出V₁、V₂。在步骤2中，标签就可以判定读写器不合法，认证会终止。

(3)当伪装成后台服务器时：攻击方没有随机数x、密钥K_S、读写器ID_T、标签ID_R等信息，所以攻击方无法计算出正确的V₇、V₈、V₉，在步骤7，读写器判定服务器是不合法的，认证终止。

因此，攻击方伪装成任何一方都无法完成任认证。

2.重发攻击

攻击方试图通过重放某些信息，来获取标签的隐私信息，但这是无法实现的。读写器和后台服务器产生的随机数都可以保证传输信息的鲜活性，随机数在每轮认证过程中都不一样，并且无法预测，因此攻击方无法通过当前信息来推测下一轮认证所需要的值，所以重放攻击失败。

3.追踪攻击

攻击方试图通过V₃、V₄的值分析出有用的信息，如标签的ID_T，从而对标签发起追踪攻击。但是在V₃、V₄的计算随机数x相关，所以每次认证过程中的V₃、V₄都是不同的，也无法推测出下一轮认证的V₃、V₄，从而无法追踪到标签。

综上可以看出，本发明的认证方法能够有效的抵挡上述攻击，能够保证移动场景中的射频识别系统的安全。

Claims (7)

1.一种用于射频识别系统的多方认证方法，其特征在于，包括以下步骤：

标签和读写器之间进行双向认证，完成该双向认证后，读写器将读写器产生的第一验证信息和第二验证信息、标签产生的验证信息、标签身份识别码以及读写器身份识别码传送给后台服务器；

后台服务器收到消息后，先对读写器进行认证，然后再对标签进行认证；只有在二者都认证成功的情况下，后台服务器才会对相应数据进行更新操作；后台服务器产生验证信息并发送给读写器；

读写器对后台服务器发来的消息进行正确性验证，如果正确，读写器对后台服务器的认证成功；读写器产生第三验证信息，并与后台服务器的验证信息一起发送给标签；

标签对收到的读写器发来的信息进行正确性验证；如果不正确，标签对读写器和后台服务器的认证失败，终止认证；如果正确，标签对读写器和后台服务器的认证成功，同步更新密钥。

2.根据权利要求1所述一种用于射频识别系统的多方认证方法，其特征在于：所述标签和读写器之间的双向认证包括以下步骤：

S11读写器产生一组第一验证信息V₁、V₂，发送给标签；

S12标签收到读写器发传来的信息后，对V₁、V₂的正确性进行验证；若不正确，则标签对读写器的认证失败，终止认证；若正确，标签产生一组验证信息V₃、V₄，发送给读写器；

S13读写器收到标签传来的信息后，对V₃、V₄的正确性进行验证；若不正确，则读写器对标签的认证失败，终止认证；若正确，读写器产生一组第二验证信息V₅、V₆，发送给标签；

S14标签收到读写器传来的信息后，对V₅、V₆的正确性进行验证；若不正确，则标签对读写器的认证失败，终止认证；如果正确，将标签身份识别码ID_T发送给读写器。

3.根据权利要求2所述一种用于射频识别系统的多方认证方法，其特征在于：所述第一验证信息V₁、V₂是通过读写器产生的随机数x与读写器密钥K_R异或运算获得。

4.根据权利要求2所述一种用于射频识别系统的多方认证方法，其特征在于：所述S12对V₁、V₂的正确性进行验证的过程为：V₁、V₂分别与标签密钥K_T进行异或运算，得到的两个数值分别为x₁、x₂，比较x₁与x₂是否相等，如果相等，则验证正确；使用标签身份识别码ID_T、标签密钥K_T和读写器产生的随机数x，异或运算和位替换计算出一组标签验证信息V₃、V₄，并将他们发送给读写器；

所述S13对V₃、V₄的正确性进行验证的过程为：通过V₃和读写器密钥K_R异或运算和位替换计算得到标签身份识别码ID_T；使用ID_T、K_R和x通过指定哈希函数计算出V₄′，比较V₄′和V₄是否相等，如果相等，则验证正确；使用读写器身份识别码ID_R、K_R和x通过异或运算和指定哈希函数计算得到读写器第二验证信息V₅、V₆，并将他们传递给标签；

所述S14对V₅、V₆的正确性进行验证的过程为：V₅和K_T通过异或运算和位替换计算得到ID_R；使用ID_R、K_T和x通过指定哈希函数计算得到V₆′，比较V₆′和V₆是否相等如果相等，则验证正确；标签将ID_T发送给读写器。

5.根据权利要求1所述一种用于射频识别系统的多方认证方法，其特征在于：所述后台服务器对读写器进行认证的过程为：

后台服务器查找是否存在读写器身份识别码ID_R，如果不存在，认证终止；

如果存在，找到ID_R对应的标签身份识别码ID_T、后台服务器密钥K_S，然后与读写器第一验证信息V₁、V₂分别通过异或运算计算得到x₁″、x₂″，比较x₁″和x₂″是否相等，如果不相等，则认证终止；

如果相等，则后台服务器使用ID_R、K_S、读写器产生的随机数x通过指定哈希函数计算得到V₆′，比较V₆′和读写器第二验证信息V₆是否相等，若不相等，认证终止；如果相等，则读写器认证成功。

6.根据权利要求1所述一种用于射频识别系统的多方认证方法，其特征在于：所述后台服务器对标签进行认证的过程为：

后台服务器查找标签身份识别码ID_T是否存在，如果不存在，终止认证；

如果存在，找到ID_T对应的读写器身份识别码ID_R、后台服务器密钥K_S，然后与ID_T、K_S、读写器产生的随机数x通过指定哈希函数计算得V₄″，并与标签产生的证信息V₄比较是否相等；如果不相等，说明标签不合法，认证终止，如果相等，则标签认证成功。

7.根据权利要求1或5或6所述一种用于射频识别系统的多方认证方法，其特征在于：后台服务器对读写器和标签都认证成功后，进行以下处理：

后台服务器产生一个随机数y；

使用ID_T、ID_R、K_S、x、y异或运算和位替换计算，后台服务器产生验证信息V₇、V₈、V₉，将它们发送给读写器；

后台服务器更新秘钥K_S。

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