CN114666040A - 基于量子密码网络的射频识别认证系统及方法 - Google Patents

基于量子密码网络的射频识别认证系统及方法 Download PDF

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Abstract

本公开属于量子密码网络的加密通信领域，提供了一种基于量子密码网络的射频识别认证系统及方法。其中，基于量子密码网络的射频识别认证系统包括服务器、阅读器、量子密钥卡和标签；服务器的数据库内存储有阅读器的ID及其对应的认证密钥、标签的ID及其对应的认证密钥；所述服务器和阅读器分别与量子密钥卡对应连接，以使得服务器和阅读器之间通过量子加密信道进行身份双向认证；所述阅读器与标签之间通过射频场相互通信，所述服务器与标签之间也采用双向认证模式来认证身份，当阅读器与服务器之间以及服务器与标签之间身份均双向认证成功时，射频识别认证成功。

Description

基于量子密码网络的射频识别认证系统及方法
技术领域
本公开属于量子密码网络的加密通信领域，尤其涉及一种基于量子密码网络的射频识别认证系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
物联网是在计算机互联网的基础上，利用射频识别(Radio FrequencyIdentification，RFID)、传感等技术构造的一个覆盖世界上万事万物的实物互联网，是继计算机和互联网以后世界信息产业进一步发展的第三次浪潮。随着物联网在社会生活各个领域的广泛运用，其安全问题也尤为突出，而RFID系统中阅读器与标签的安全认证问题成为最首要的一环。
根据阅读器是否需要借助服务器或者云完成认证协议，分为基于服务器协议、无服务器协议。基于服务器协议，是一种三方认证协议，需要标签、阅读器和服务器交互获得认证信息，认证三方身份是否合法。无服务器协议，是将认证信息存储在阅读器中，直接与标签进行相互认证。目前的通信网络已经很稳定，可以提供不间断的连接，而且服务器存储、计算性能强大，除了提供验证功能，还可以结合其他技术提供更强大的功能，所以目前的协议都趋向基于服务器的协议。
现有的一种射频识别认证方法利用云端分类存储不同标签识别信息对应的验证信息，起简化了硬件结构，阅读器根据接收到的标签识别信息从云端获取该标签识别信息对应的验证信息，并将该验证信息发送给标签，标签根据该验证信息生成配对信息并反馈给阅读器，阅读器将验证息和配对信息进行拼合验证，提高了验证准确度和验证效率。但该射频识别认证方法重视了阅读器与标签之间通信的安全性和保密性，忽视了阅读器与云端之间通信的安全性和数据保密性，使标签的射频认证过程存在安全漏洞。
目前的射频识别认证方法存在以下问题：1)在经典基于服务器的认证协议中，因受标签的计算能力和存储空间的限制，标签只能通过单一密钥的哈希或MAC运算实现认证过程中的认证码计算。因为射频识别系统工作在开放的网络环境中，任何人都有可能对通信的内容进行监听，因此用于计算认证码的重复使用的密钥容易被破解，危害认证协议的安全性，从而威胁整个射频识别通信的安全性。2)在阅读器和服务器的通信过程中也无法做到认证密钥的及时更新，这使得阅读器与服务器之间的认证过程存在安全隐患。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提供一种基于量子密码网络的射频识别认证系统及方法，其采用双认证方式预防了假冒身份的攻击，同时阅读器和服务器之间基于量子密钥进行安全通信，这增加了阅读器和服务器之间通信的保密性，消除了通信信息被攻击者获取的安全隐患。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种基于量子密码网络的射频识别认证系统，包括服务器、阅读器、量子密钥卡和标签；服务器的数据库内存储有阅读器的ID及其对应的认证密钥、标签的ID及其对应的认证密钥；
所述服务器和阅读器分别与量子密钥卡对应连接，以使得服务器和阅读器之间通过量子加密信道进行身份双向认证；
所述阅读器与标签之间通过射频场相互通信，所述服务器与标签之间也采用双向认证模式来认证身份，当阅读器与服务器之间以及服务器与标签之间身份均双向认证成功时，射频识别认证成功。
作为可选择的实施方式，所述阅读器用于通过向服务器发送注册请求，以获得服务器通过量子加密信道分发的认证密钥。
作为可选择的实施方式，所述阅读器每次认证只使用其中的一个认证密钥，且使用后将该认证密钥标注为已使用。
上述技术方案的优点在于，提高了认证加密的安全强度，认证加密可达到一次一密的安全级别。
作为可选择的实施方式，所述阅读器还用于：当使用完认证密钥时，向服务器发送认证密钥更新请求，以使得服务器向阅读器分发新的一系列认证密钥。
上述技术方案的优点在于，通过量子密码网络的量子加密信道实现阅读器和服务器之间认证密钥的更新，提高了认证加密的安全强度。
作为可选择的实施方式，所述阅读器与服务器对认证密钥进行同步编号。
上述技术方案的优点在于，这样保障了阅读器与服务器内部的阅读器认证密钥的使用状态一致性，提高了认证加密的安全强度。
作为可选择的实施方式，每个标签只存有一个认证密钥。
上述技术方案的优点在于，考虑标签的存储空间以及认证密钥一次一密，每次认证成功后实现了对标签认证密钥的更新，这增加了标签认证密钥的认证强度。
一种采用上述所述的基于量子密码网络的射频识别认证系统的射频识别认证方法，包括以下步骤：
阅读器向标签发送认证请求、阅读器ID及随机数；
标签收到认证请求后，使用标签的认证密钥计算接收的信息相关的第一消息认证码，并同标签ID及另一随机数发送给阅读器；
阅读器接收到标签发送来的信息后，选定一个未使用的认证密钥生成第二消息认证码，并与阅读器接收的标签发送来的信息、阅读器ID及认证密钥编号一起发送给服务器，同时将该认证密钥标注为已使用；
服务器接收到阅读器发送的数据后，依次验证第二消息认证码和第一消息认证码的正确性，若均正确则阅读器和标签的身份认证成功，服务器生成第三消息认证码和第四消息认证码并与标签认证密钥密文一起发送至阅读器；否则，认证失败；其中，标签认证密钥密文采用与标签认证密钥等长度的真随机数进行加密得到；
阅读器和标签的身份均认证成功后，阅读器验证第四消息认证码的正确性，验证成功后，将标签认证密钥密文及第三消息认证码发送至标签；
标签收到阅读器发送的数据后，验证第三消息认证码的正确性，验证成功后，更新标签内的认证密钥并将标签认证密钥密文经阅读器发送至服务器；
服务器收到数据后，同步更新数据库中的标签认证密钥，本次射频识别认证成功。
作为可选择的实施方式，阅读器和标签的身份均认证成功后，服务器选择与标签认证密钥等长的真随机数，使用阅读器认证密钥生成第四消息认证码，同时将使用的该阅读器认证密钥在服务器内标注为已使用。
上述技术方案的优点在于，这样保障了阅读器与服务器内部的阅读器认证密钥的使用状态一致性，提高了认证加密的安全强度。
作为可选择的实施方式，更新后的标签内的认证密钥的计算过程为：原始标签密钥与原始标签密钥等长的真随机数进行逐位异或运算后，再与原始标签密钥进行逐位异或运算。
上述技术方案的优点在于，每次认证成功后实现了对标签认证密钥的更新，这增加了标签认证密钥的认证强度。
作为可选择的实施方式，第一消息认证码、第二消息认证码、第三消息认证码和第四消息认证码均通过哈希运算计算得到。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开通过量子密码网络的量子加密信道实现阅读器和服务器之间认证密钥的更新，提高了认证加密的安全强度，认证加密可达到一次一密的安全级别；
本公开每次认证成功后实现了对标签认证密钥的更新，这增加了标签认证密钥的认证强度；
本公开的阅读器与服务器之间、服务器和标签之间的身份认证均采用双向认证模式，这预防了假冒身份的攻击；
本公开的阅读器和服务器之间基于量子密钥进行安全通信，这增加了阅读器和服务器之间通信的保密性，消除了通信信息被攻击者获取的安全隐患。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例的基于量子密码网络的射频识别认证系统结构示意图；
图2是本公开实施例的基于量子密码网络的射频识别认证方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面以不同的实施例进行叙述，以使技术方案更加清楚、明白。
参照图1，本实施例的基于量子密码网络的射频识别认证系统，包括服务器、阅读器、量子密钥卡和标签。
在本实施例中，服务器的数据库内存储有阅读器的ID及其对应的认证密钥、标签的ID及其对应的认证密钥。
其中，所述服务器和阅读器分别与量子密钥卡对应连接，以使得服务器和阅读器之间通过量子加密信道进行身份双向认证。
服务器和阅读器分别搭载量子密钥卡，量子密钥卡位量子密码网络中量子密钥分发和存储的终端。这样通过量子密钥卡阅读器和服务器可以借助量子密码网络进行量子加密通信，这增加了阅读器和服务器之间通信的保密性，消除了通信信息被攻击者获取的安全隐患。
其中，所述阅读器与标签之间通过近场通信/射频通信方式相互通信，所述服务器与标签之间也采用双向认证模式来认证身份，当阅读器与服务器之间以及服务器与标签之间身份均双向认证成功时，射频识别认证成功。
这样阅读器与服务器之间、服务器和标签之间的身份认证均采用双向认证模式，预防了假冒身份的攻击。
在具体实施中，所述阅读器用于通过向服务器发送注册请求，以获得服务器通过量子加密信道分发的认证密钥。其中，所述阅读器每次认证只使用其中的一个认证密钥，且使用后将该认证密钥标注为已使用。这样提高了认证加密的安全强度，认证加密可达到一次一密的安全级别。
当阅读器使用完认证密钥时，阅读器还向服务器发送认证密钥更新请求，以使得服务器向阅读器分发新的一系列认证密钥。这样通过量子密码网络的量子加密信道实现阅读器和服务器之间认证密钥的更新，提高了认证加密的安全强度。
在具体实施中，所述阅读器与服务器对阅读器的对认证密钥进行同步编号。这样保障了阅读器与服务器内部的阅读器认证密钥的使用状态一致性，提高了认证加密的安全强度。
考虑标签的存储空间，每个标签只存有一个认证密钥，而且认证密钥一次一密，每次认证成功后实现了对标签认证密钥的更新，这增加了标签认证密钥的认证强度。
采用上述所述的基于量子密码网络的射频识别认证系统的射频识别认证方法，包括以下步骤：
步骤1：阅读器向标签发送认证请求、阅读器ID及随机数；
步骤2：标签收到认证请求后，使用标签的认证密钥计算接收的信息相关的第一消息认证码(比如：采用哈希运算得到)，并同标签ID及另一随机数发送给阅读器；
步骤3：阅读器接收到标签发送来的信息后，选定一个未使用的认证密钥生成第二消息认证码(比如：采用哈希运算得到)，并与阅读器接收的标签发送来的信息、阅读器ID及认证密钥编号一起发送给服务器，同时将该认证密钥标注为已使用；
步骤4：服务器接收到阅读器发送的数据后，依次验证第二消息认证码和第一消息认证码的正确性，若均正确则阅读器和标签的身份认证成功，服务器生成第三消息认证码(比如：采用哈希运算得到)和第四消息认证码(比如：采用哈希运算得到)并与标签认证密钥密文(比如：采用与标签密钥等长的真随机数与当前标签密钥采用逐位异或运算的方式对标签认证密钥进行加密)一起发送至阅读器；否则，认证失败；其中，标签认证密钥密文采用与标签认证密钥等长度的真随机数进行加密得到；
步骤5：阅读器和标签的身份均认证成功后，阅读器验证第四消息认证码的正确性，验证成功后，将标签认证密钥密文及第三消息认证码发送至标签；
在具体实施中，阅读器和标签的身份均认证成功后，服务器选择与标签认证密钥等长的真随机数，使用阅读器认证密钥生成第四消息认证码，同时将使用的该阅读器认证密钥在服务器内标注为已使用。这样保障了阅读器与服务器内部的阅读器认证密钥的使用状态一致性，提高了认证加密的安全强度。
步骤6：标签收到阅读器发送的数据后，验证第三消息认证码的正确性，验证成功后，更新标签内的认证密钥并将标签认证密钥密文经阅读器发送至服务器；
例如：原始标签密钥与原始标签密钥等长的真随机数进行逐位异或运算后，再与原始标签密钥进行逐位异或运算。这样每次认证成功后实现了对标签认证密钥的更新，这增加了标签认证密钥的认证强度。
步骤7：服务器收到数据后，同步更新数据库中的标签认证密钥，本次射频识别认证成功。
下面结合附图2详细说明本实施例的基于量子密码网络的射频识别认证系统的射频识别认证方法：
1.阅读器R生成随机数r，向标签T发送认证请求，同时发送R和随机数r，R为阅读器ID，T为标签ID；
2.标签收到认证请求，使用标签的认证密钥KT计算T||R||r的密钥相关的哈希运算消息认证码HMAC(T||R||r；KT)(||表示连接运算，下同),并生成随机数rT，将T、HMAC(T||R||r；KT)和rT发送给阅读器R；
3.阅读器R收到T、HMAC(T||R||r；KT)和rT后，在认证密钥中选定一个未使用的认证密钥KR，认证密钥的编码序号为NUM，使用KR计算数据D＝rT||HMAC(T||R||r；KT)||NUM||R||T的密钥相关的哈希运算消息认证码HMAC(D；KR)，阅读器将R、T、rT、HMAC(T||R||r；KT)、NUM和HMAC(D；KR)发送给服务器S，将序号为NUM的认证密钥标注为已使用；
4.服务器S收到阅读器发送的数据后，首先根据R和NUM到数据库提取本次认证所需的阅读器认证密钥KR，如果认证密钥KR已使用，则本次认证失败，否则验证HMAC(D；KR)的正确性；验证失败，则本次认证失败，否则，验证通过后服务器读取标签T的认证密钥KT，验证HMAC(T||R||r；KT)正确性；验证失败，则本次认证失败，否则，验证通过后，服务器使用KT计算数据R||T||r||rT的密钥相关的哈希运算消息认证码HMAC(R||T||r||rT；KT)，最后服务器选择与KT等长的真随机数NS，使用密钥KR计算数据DS＝R||T||r||(KT⊕NS)(⊕表示逐位异或运算)的密钥相关的哈希运算消息认证码HMAC(DS；KR)；服务器S将KT⊕NS、HMAC(R||T||r||rT；KT)和HMAC(DS；KR)发送给阅读器R，并将序号为NUM的认证密钥标注为已使用；
5.阅读器R收到服务器S发送的数据后，验证HMAC(DS；KR)的正确性，验证成功后，将KT⊕NS、HMAC(R||T||r||rT；KT)发送给标签T；
6.标签T收到阅读器R发送的数据后，验证HMAC(R||T||r||rT；KT)的正确性，验证成功后，更新密钥KT为NS(NS＝KT⊕NS⊕KT)，更新成功后，标签T将KT⊕NS通过阅读器R发送给服务器S；
7.服务器S收到数据后将数据库中标签T的认证密钥KT更新为NS(NS＝KT⊕NS⊕KT)，本次射频识别认证成功。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于量子密码网络的射频识别认证系统，其特征在于，包括服务器、阅读器、量子密钥卡和标签；服务器的数据库内存储有阅读器的ID及其对应的认证密钥、标签的ID及其对应的认证密钥；
所述服务器和阅读器分别与量子密钥卡对应连接，以使得服务器和阅读器之间通过量子加密信道进行身份双向认证；
所述阅读器与标签之间通过射频场相互通信，所述服务器与标签之间也采用双向认证模式来认证身份，当阅读器与服务器之间以及服务器与标签之间身份均双向认证成功时，射频识别认证成功。
2.如权利要求1所述的基于量子密码网络的射频识别认证系统，其特征在于，所述阅读器用于通过向服务器发送注册请求，以获得服务器通过量子加密信道分发的认证密钥。
3.如权利要求1所述的基于量子密码网络的射频识别认证系统，其特征在于，所述阅读器每次认证只使用其中的一个认证密钥，且使用后将该认证密钥标注为已使用。
4.如权利要求1或3所述的基于量子密码网络的射频识别认证系统，其特征在于，所述阅读器还用于：当使用完认证密钥时，向服务器发送认证密钥更新请求，以使得服务器向阅读器分发新的一系列认证密钥。
5.如权利要求1或3所述的基于量子密码网络的射频识别认证系统，其特征在于，所述阅读器与服务器对认证密钥进行同步编号。
6.如权利要求1所述的基于量子密码网络的射频识别认证系统，其特征在于，每个标签只存有一个认证密钥。
7.一种采用如权利要求1-6中任一项所述的基于量子密码网络的射频识别认证系统的射频识别认证方法，其特征在于，包括：
阅读器向标签发送认证请求、阅读器ID及随机数；
标签收到认证请求后，使用标签的认证密钥计算接收的信息相关的第一消息认证码，并同标签ID及另一随机数发送给阅读器；
阅读器接收到标签发送来的信息后，选定一个未使用的认证密钥生成第二消息认证码，并与阅读器接收的标签发送来的信息、阅读器ID及认证密钥编号一起发送给服务器，同时将该认证密钥标注为已使用；
服务器接收到阅读器发送的数据后，依次验证第二消息认证码和第一消息认证码的正确性，若均正确则阅读器和标签的身份认证成功，服务器生成第三消息认证码和第四消息认证码并与标签认证密钥密文一起发送至阅读器；否则，认证失败；其中，标签认证密钥密文采用与标签认证密钥等长度的真随机数进行加密得到；
阅读器和标签的身份均认证成功后，阅读器验证第四消息认证码的正确性，验证成功后，将标签认证密钥密文及第三消息认证码发送至标签；
标签收到阅读器发送的数据后，验证第三消息认证码的正确性，验证成功后，更新标签内的认证密钥并将标签认证密钥密文经阅读器发送至服务器；
服务器收到数据后，同步更新数据库中的标签认证密钥，本次射频识别认证成功。
8.如权利要求7所述的射频识别认证方法，其特征在于，阅读器和标签的身份均认证成功后，服务器选择与标签认证密钥等长的真随机数，使用阅读器认证密钥生成第四消息认证码，同时将使用的该阅读器认证密钥在服务器内标注为已使用。
9.如权利要求7所述的射频识别认证方法，其特征在于，更新后的标签内的认证密钥的计算过程为：原始标签密钥与原始标签密钥等长的真随机数进行逐位异或运算后，再与原始标签密钥进行逐位异或运算。
10.如权利要求7所述的射频识别认证方法，其特征在于，第一消息认证码、第二消息认证码、第三消息认证码和第四消息认证码均通过哈希运算计算得到。
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