CN111680531B - 用于超轻量级rfid认证协议的双向身份认证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超轻量级RFID认证协议的双向身份认证方法，主要是后端数据库服务器和电子标签分别使用异或和循环移位两种位操作生成验证信息，超轻量级射频识别RFID系统中的电子标签和阅读器之间进行相互认证。本发明是专门针对资源受限的低成本无源射频识别RFID标签而设计的，主要特点是安全高效，易于实现，能够有效抵抗重放攻击，中间人攻击，秘钥泄露攻击，去同步攻击和抗跟踪攻击等RFID认证中常见的攻击，提供一种更高安全性的超轻量级射频识别RFID双向身份认证方法。

Description

用于超轻量级RFID认证协议的双向身份认证方法
技术领域
本发明属于信息处理技术领域，更进一步涉及信息处理安全技术领域中的一种用于超轻量级射频识别RFID(radio frequency identification)的双向身份认证方法。本发明可用于资源受限的低成本无源RFID系统中进行射频识别RFID系统中电子标签和阅读器之间的相互认证。
背景技术
近年来，随着物联网技术的不断发展和进步，互联网技术的应用越来越广泛。无线射频识别技术RFID是物联网技术中至关重要的一项应用技术。无线射频识别技术能够实现自动识别技术，在恶劣环境下也能正常工作。由于受成本的限制，RFID系统中电子标签的计算能力和存储空间通常是有限的，因此在低成本RFID认证协议中不能使用一些成熟的安全加密算法如非对称加密。于是人们开始使用简单的位逻辑操作，提出了一系列超轻量级认证协议，如异或操作、与操作、或操作和移位操作。
无锡泛太科技有限公司在其申请的专利文献“一种轻量级的RFID快速认证方法”(申请号：201811601331.5，申请公布号：CN 109711218 A)中提出一种轻量级的RFID快速认证方法。该方法在阅读器端和电子标签端分别使用哈希函数来生成验证信息，能够实现电子标签和阅读器之间的双向快速认证，跟踪攻击、重放攻击、标签假冒、前向隐私、DOS攻击。该方法存在的不足之处是，在轻量级射频识别RFID系统中在电子标签端采用了哈希函数来生成验证信息，会大大增加电子标签的制作成本，无法满足轻量级RFID系统低成本的特性。
Tewari和Gupta等人在其发表的论文“Cryptanalysis of a novelultralightweight mutual authentication protocol for IoT devices using RFIDtags”(The Journal of Supercomputing,vol.73,pp.1085-1102,2017.)中公开了一种物联网环境中的超轻级认证协议的双向身份认证方法。该方法首先通过阅读器发送询问消息给电子标签，在电子标签将电子标签ID假名IDS作为应答消息返回给阅读器后，阅读器使用连续循环右移生成验证信息发给电子标签进行身份验证，在完成身份验证后阅读器和电子标签使用连续循环右移的位操作进行更新共享密钥。
该认证方法存在的不足之处有三点，第一是使用连续两次循环右移生成验证信息，容易受到密钥完全披露攻击和中间人攻击。第二是该认证协议中更新共享密钥时采用循环右移的方式容易受到去同步攻击。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种低成本的高安全性的RFID双向认证方法，可以有效抵抗重放攻击，中间人攻击，秘钥泄露攻击，去同步攻击和抗跟踪攻击等RFID认证中常见的攻击。还解决了电子标签存储资源有限，计算能力不高以及系统通信开销大的问题。
实现本发明目的的思路是，为减小RFID系统中电子标签的制作成本，在电子标签端不使用哈希函数和随机函数生成器，只使用异或和循环右移两种位操作。为了实现高安全性的双向认证方法，使用连续循环右移进行计算验证信息和密钥更新时，在两次循环右移计算之间引入异或运算。
本发明的具体步骤包括如下：
(1)阅读器将“hello”作为询问消息发送给电子标签；
(2)电子标签收到询问消息后，将电子标签存储的电子标签ID假名IDS的新值IDSnew和旧值IDSold作为应答消息返回给阅读器；
(3)阅读器验证应答消息：
(3a)阅读器将接收到电子标签发送的电子标签ID假名IDS的新值IDSnew和旧值IDSold分别与后端数据库服务器存储的电子标签ID假名IDS的新值IDSnew’和旧值IDSold’进行匹配；
(3b)后端数据库服务器使用循环移位和异或两种位操作更新电子标签ID假名IDS的旧值IDSold和共享密钥的旧值Kold；
(4)生成后端数据库服务器的验证信息：
(4a)后端数据库服务器使用随机函数生成器生成两个随机数m和n；
(4b)后端数据库服务器使用随机数m，随机数n，电子标签ID假名IDS和电子标签存储的共享密钥K进行循环移位和异或两种位操作生成三个验证信息P,Q,R，通过阅读器将三个验证信息P,Q,R发送给电子标签；
(5)电子标签对阅读器进行身份验证：
(5a)电子标签使用接收到的验证信息P,Q解密出两个随机数n′和m′；
(5b)电子标签使用随机数m′，随机数n′，电子标签存储的电子标签ID假名IDS和电子标签存储的共享密钥K计算认证信息R′；
(5c)将认证信息R′与验证信息R对比，若二者相等则身份认证成功，执行步骤(6)，否则，判定阅读器的身份无效执行步骤(10)；
(6)生成电子标签的验证信息：
电子标签使用验证信息R，共享秘钥K，随机数m，随机数n和电子标签ID假名IDS进行循环移位和异或两种位操作生成验证信息S，并将验证信息S发送给阅读器；
(7)阅读器对电子标签进行身份验证：
(7a)阅读器使用步骤(4)中后端数据库服务器生成的验证信息P,随机数m，随机数n和电子标签ID假名IDS计算验证信息S′；
(7b)阅读器将计算的验证信息S′与接收到的验证信息S对比，若二者相等则完成身份认证，执行步骤(8)，否则，判定电子标签的身份无效执行步骤(10)；
(8)更新电子标签的信息：
电子标签使用电子标签ID假名IDS的新值IDSnew，随机数m，随机数n，验证信息R和共享密钥K进行循环移位和异或两种位操作更新电子标签ID假名IDS的旧值IDSold，共享密钥的旧值Kold，电子标签ID假名IDS的新值IDSnew，共享密钥的新值Knew；
(9)更新后端数据库服务器的信息：
后端数据库服务器使用电子标签ID假名IDS，随机数m，随机数n，共享密钥K和验证信息R进行循环移位和异或两种位操作更新电子标签ID假名IDS的新值IDSnew和共享密钥的新值Knew；
(10)终止身份认证。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明在认证过程中后端数据库服务器生成认证信息P,Q,R和电子标签生成认证信息S时只使用了循环移位和异或两种位操作，克服了现有技术中电子标签制作成本有限，计算能力不高的问题，使得本发明可以降低射频识别RFID认证的成本。
第二，由于本发明在阅读器端和电子标签端都使用循环移位和异或两种位操作来生成验证信和更新阅读器和电子标签的共享密钥，克服了现有技术连续使用循环右移带来的不安全问题，使得本发明大大提高了射频识别RFID双向身份认证的安全性。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的实施例和效果做进一步详细描述。
参照附图1，本实施例的实现步骤做进一步详细描述。
步骤1，阅读器将“hello”作为询问消息发送给电子标签。
步骤2，电子标签收到询问消息后，将电子标签存储的电子标签ID假名IDS的新值IDSnew和旧值IDSold作为应答消息返回给阅读器。
步骤3，阅读器将接收到的电子标签发送的电子标签ID假名IDS的新值IDSnew和旧值IDSold分别与后端数据库服务器存储的电子标签ID假名IDS的新值IDSnew和旧值IDSold进行匹配。
所述匹配的步骤如下：
若下两公式成立，则认为匹配成功，说明电子标签与阅读器保持同步。
Figure GDA0002972656750000041
其中，SIDSnew表示后端数据库服务器存储的电子标签发送的电子标签ID假名IDS的新值，SIDSold表示后端数据库服务器存储的电子标签发送的电子标签ID假名IDS的旧值。
此时后端数据库服务器更新后端数据库服务器存储的电子标签发送的电子标签ID假名IDS的旧值SIDSold和后端数据库服务器存储的共享密钥的旧值SKold：
SIDSold＝SIDSnew；
SKold＝SKnew
其中，SKold表示后端数据库服务器存储的共享密钥的旧值，SKnew表示后端数据库服务器存储的共享密钥的新值。
否则，若下两公式成立，同样认为匹配成功。
Figure GDA0002972656750000051
其中，m和n分别是数据库上一轮存储的用于更新IDSnew的随机数。
这种情况说明上一轮会话中结束后后端数据库服务器没有更新。此时后端数据库服务器更新后端数据库服务器存储的电子标签发送的电子标签ID假名IDS的旧值SIDSold和后端数据库服务器存储的共享密钥的旧值SKold：
SIDSold＝SIDSnew＝IDSnew
SKold＝SKnew＝SKnew
为方便起见，在此匹配之后，将SIDSnew和SKnew的值称为IDS和K。
步骤4，生成后端数据库服务器的验证信息。
后端数据库服务器使用随机函数生成器生成两个随机数m和n。
后端数据库服务器使用随机数m，随机数n，电子标签ID假名IDS和电子标签存储的共享密钥K进行循环移位和异或两种位操作生成三个验证信息P,Q,R，通过阅读器将三个验证信息P,Q,R发送给电子标签。
所述的生成三个验证信息P,Q,R的步骤如下：
Figure GDA0002972656750000052
Figure GDA0002972656750000053
Figure GDA0002972656750000054
其中，IDS表示后端数据库服务器存储的电子标签ID假名IDS的新值，
Figure GDA0002972656750000055
表示异或操作，n和m是用随机函数生成器生成的两个随机数，Rot表示循环右移操作，K表示后端数据库服务器存储的共享密钥的新值。
步骤5，电子标签对阅读器进行身份验证。
电子标签使用接收到的验证信息P,Q解密出两个随机数n′和m′：
Figure GDA0002972656750000056
Figure GDA0002972656750000057
其中，RRot表示循环左移操作，K表示电子标签存储的共享密钥。
电子标签使用随机数m′，随机数n′，电子标签存储的电子标签ID假名IDS和电子标签存储的共享密钥K计算认证信息R′：
Figure GDA0002972656750000061
将认证信息R′与验证信息R对比，若二者相等则身份认证成功，执行步骤6，否则，判定阅读器的身份无效执行步骤10。
步骤6，生成电子标签的验证信息：
电子标签使用验证信息R，共享秘钥K，随机数m，随机数n和电子标签ID假名IDS进行循环移位和异或两种位操作生成验证信息S，并将验证信息S发送给阅读器。
所述生成验证信息S的方法如下：
Figure GDA0002972656750000062
步骤7，阅读器对电子标签进行身份验证。
阅读器使用步骤4中后端数据库服务器生成的验证信息P,随机数m，随机数n和电子标签ID假名IDS计算验证信息S′：
Figure GDA0002972656750000063
阅读器将计算的验证信息S′与接收到的验证信息S对比，若二者相等则完成身份认证，执行步骤8，否则，判定电子标签的身份无效执行步骤10。
步骤8，更新电子标签的信息。
电子标签使用电子标签ID假名IDS的新值IDSnew，随机数m，随机数n，验证信息R和共享密钥K进行循环移位和异或两种位操作更新电子标签ID假名IDS的旧值IDSold，共享密钥的旧值Kold，电子标签ID假名IDS的新值IDSnew，共享密钥的新值Knew的步骤如下：
Figure GDA0002972656750000064
Kold＝Knew
Figure GDA0002972656750000065
Figure GDA0002972656750000066
步骤9，更新后端数据库服务器的信息。
后端数据库服务器使用电子标签ID假名IDS，随机数m，随机数n，共享密钥K和验证信息R进行循环移位和异或两种位操作更新电子标签ID假名IDS的新值IDSnew和共享密钥的新值Knew的步骤为：
Figure GDA0002972656750000071
Figure GDA0002972656750000072
步骤10,终止身份认证。

Claims (7)

1.一种用于超轻量级RFID认证协议的双向身份认证方法，其特征在于，后端数据库服务器和电子标签分别使用异或和循环移位两种位操作生成验证信息，超轻量级RFID系统中的电子标签和阅读器之间进行相互认证，该方法的具体步骤包括如下：
(1)阅读器将“hello”作为询问消息发送给电子标签；
(2)电子标签收到询问消息后，将电子标签存储的电子标签ID假名IDS的新值IDSnew和旧值IDSold作为应答消息返回给阅读器；
(3)阅读器验证应答消息：
(3a)阅读器将接收到电子标签发送的电子标签ID假名IDS的新值IDSnew和旧值IDSold分别与后端数据库服务器存储的电子标签ID假名IDS的新值IDSnew’和旧值IDSold’进行匹配；
(3b)后端数据库服务器使用循环移位和异或两种位操作更新电子标签ID假名IDS的旧值IDSold和共享密钥的旧值Kold；
(4)生成后端数据库服务器的验证信息：
(4a)后端数据库服务器使用随机函数生成器生成两个随机数m和n；
(4b)后端数据库服务器使用随机数m，随机数n，电子标签ID假名IDS和电子标签存储的共享密钥K进行循环移位和异或两种位操作生成三个验证信息P,Q,R，通过阅读器将三个验证信息P,Q,R发送给电子标签；
(5)电子标签对阅读器进行身份验证：
(5a)电子标签使用接收到的验证信息P,Q解密出两个随机数n′和m′；
(5b)电子标签使用随机数m′，随机数n′，电子标签存储的电子标签ID假名IDS和电子标签存储的共享密钥K计算认证信息R′；
(5c)将认证信息R′与验证信息R对比，若二者相等则身份认证成功，执行步骤(6)，否则，判定阅读器的身份无效执行步骤(10)；
(6)生成电子标签的验证信息：
电子标签使用验证信息R，共享秘钥K，随机数m，随机数n和电子标签ID假名IDS进行循环移位和异或两种位操作生成验证信息S，并将验证信息S发送给阅读器；
(7)阅读器对电子标签进行身份验证：
(7a)阅读器使用步骤(4)中后端数据库服务器生成的验证信息P,随机数m，随机数n和电子标签ID假名IDS计算验证信息S′；
(7b)阅读器将计算的验证信息S′与接收到的验证信息S对比，若二者相等则完成身份认证，执行步骤(8)，否则，判定电子标签的身份无效执行步骤(10)；
(8)更新电子标签的信息：
电子标签使用电子标签ID假名IDS的新值IDSnew，随机数m，随机数n，验证信息R和共享密钥K进行循环移位和异或两种位操作更新电子标签ID假名IDS的旧值IDSold，共享密钥的旧值Kold，电子标签ID假名IDS的新值IDSnew，共享密钥的新值Knew；
(9)更新后端数据库服务器的信息：
后端数据库服务器使用电子标签ID假名IDS，随机数m，随机数n，共享密钥K和验证信息R进行循环移位和异或两种位操作更新电子标签ID假名IDS的新值IDSnew和共享密钥的新值Knew；
(10)终止身份认证。
2.根据权利要求1所述的用于超轻量级RFID认证协议的双向身份认证方法，其特征在于，步骤(4b)中所述后端数据库服务器使用随机数m，随机数n，电子标签ID假名IDS和电子标签存储的共享密钥K进行循环移位和异或两种位操作生成三个验证信息P,Q,R的步骤为：
P＝IDS⊕n⊕m
Q＝Rot(n,K)⊕K
R＝Rot(Rot(K⊕n,IDS)⊕n,K⊕m)
其中，Rot表示循环右移操作，⊕表示异或操作。
3.根据权利要求2所述的用于超轻量级RFID认证协议的双向身份认证方法，其特征在于，步骤(5a)中所述的电子标签使用接收到的验证信息P,Q中解密出两个随机数n′和m′的步骤如下：
n′＝RRot(Q⊕K,K)⊕K
m′＝P⊕IDS⊕n
其中，RRot表示循环左移的操作。
4.根据权利要求3所述的用于超轻量级RFID认证协议的双向身份认证方法，其特征在于，步骤(5b)中所述的计算认证信息R′是通过公式R′＝Rot(Rot(K⊕n′,IDS)⊕n′,k⊕m′)得到的。
5.根据权利要求4所述的用于超轻量级RFID认证协议的双向身份认证方法，其特征在于，步骤(6)中所述生成验证信息S是通过公式S＝Rot(Rot(K，IDS⊕m)⊕n,R⊕n)得到的。
6.根据权利要求2所述的用于超轻量级RFID认证协议的双向身份认证方法，其特征在于，步骤(8)中所述电子标签使用电子标签ID假名IDS的新值IDSnew，随机数m，随机数n，验证信息R和共享密钥K进行循环移位和异或两种位操作更新电子标签ID假名IDS的旧值IDSold，共享密钥的旧值Kold，电子标签ID假名IDS的新值IDSnew，共享密钥的新值Knew的步骤如下：
IDSold＝Rot(IDSnew⊕K,K)⊕K
Kold＝Knew
IDSnew＝Rot(Rot(IDS⊕n,K⊕n)⊕m,IDS⊕m)
Knew＝Rot(R⊕n,IDS⊕m)。
7.根据权利要求6所述的用于超轻量级RFID认证协议的双向身份认证方法，其特征在于，步骤(9)中所述后端数据库服务器使用电子标签ID假名IDS，随机数m，随机数n，共享密钥K和验证信息R进行循环移位和异或两种位操作更新电子标签ID假名IDS的新值IDSnew和共享密钥的新值Knew的步骤为：
IDSnew＝Rot(Rot(IDS⊕n,K⊕n)⊕m,IDS⊕m)
Knew＝Rot(R⊕n,IDS⊕m)。
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一种低成本RFID标签适用的超轻安全认证协议;解莹，苏彬;《太原学院学报(自然科学版)》;20170331;第35卷(第1期);全文 *
隐藏认证的不经意传输;赵春明,葛建华,李新国;<<电子与信息学报>>;20070831;第29卷(第8期);全文 *

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