DE69702493T2

DE69702493T2 - Verschlüsselung für moduliertes Rückstrahlungssystem

Info

Publication number: DE69702493T2
Application number: DE69702493T
Authority: DE
Inventors: John Austin Maclellan; Giovanni Vannucci
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2017-12-17
Also published as: JPH10209913A; CA2219270C; EP0853288B1; EP0853288A3; KR19980064776A; DE69702493D1; CA2219270A1; US6130623A; EP0853288A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Funkkommunikationssysteme und Verfahren zur Funkkommunikation.
Die folgenden US-Patente und -Patentanmeldungen betreffen ähnliche Themen: "Shielding Technology In Modulated Backscatter System", Laufende Nr. 08/777,770; "QPSK Modulated Backscatter System", Laufende Nr. 08/775,694 (EP-A-0 851 639); "Modulated Backscatter Location System", Laufende Nr. 08/777,643; "Antenna Array In An RDID System", Laufende Nr. 08/775,217; "Subcarrier Frequency Division Multiplexing Of Modulated Backscatter Signals", Laufende Nr. 08/777,834 (EP-A-0 853 392); "IQ Combiner Technology In Modulated Backscatter System", US-Patent Nr. 5784686; "In-Building Personal Pager and Identifier", Laufende Nr. 08/775,738; "In-Building Modulated Backscatter System", Laufende Nr. 775,701 (EP-A-0 851 239); "Inexpensive Modulated Backscatter Reflector", Laufende Nr. 08/774,499 (EP-A-0 851 599); "Passenger, Baggage, And Cargo Reconciliation System", Laufende Nr. 08/782,026 (EP-A-0 851 377); "Modulated Backscatter Sensor System", 08/777,771 (EP-A- 0 853 245); Laufende Nr. 08/504,188 mit dem Titel "Modulated Backscatter Communications System Having An Extended Range"; Laufende Nr. 08/492,173 (EP-A-0 750 200) mit dem Titel "Dual Mode Modulated Backscatter System"; Laufende Nr. 08/492,174 (EP-A-0 750 201) mit dem Titel "Full Duplex Modulated Backscatter System'; Laufende Nr. 08/571,004 (EP-A-0 779 520) mit dem Titel "Enhanced Uplink Modulated Backscatter System"; und Laufende Nr. 08/777,771 mit dem Titel "Modulated Backscatter Sensor System".

Allgemeiner Stand der Technik

Funkfrequenzidentifizierungssysteme (RFID- Systeme, RFID = Radio Frequency Identification) werden zur Identifizierung und/oder Verfolgung von Geräten, Inventar oder belebten Dingen verwendet. RFID-Systeme sind Funkkommunikationssysteme, die zwischen einem Funk-Sender/Empfänger, der als ein Interrogator bezeichnet wird, und einer Anzahl kostengünstiger Vorrichtungen, die als Etiketten bezeichnet werden, kommunizieren. In RFID-Systemen kommuniziert der Interrogator mit den Etiketten unter Verwendung modulierter Funksignale, und die Etiketten reagieren mit modulierten Funksignalen. Der Interrogator sendet zuerst ein amplitudenmoduliertes Signal zu dem Etikett. Danach sendet der Interrogator ein Dauerwellen- Funksignal (CW-Funksignal) zu dem Etikett. Das Etikett moduliert dann das CW-Signal unter Verwendung von modulierter Rückstreuung (MBS), wobei die Antenne elektrisch durch das Modulationssignal des Etiketts von einem Absorbierer von HF-Strahlung in einen Reflektor von HF-Strahlung umgeschaltet wird; dadurch werden die Informationen des Etiketts auf das CW-Funksignal aufcodiert. Der Interrogator demoduliert das ankommende modulierte Funksignal und decodiert die Informationsnachricht des Etiketts.
Im nächsten Jahrzehnt wird ein enormes Wachstum der Anzahl und Verbreitung von RFID-Anwendungen erwartet, Viele neue Anwendungen werden von finanzieller Beschaffenheit sein und werden zum Beispiel erfordern, dass die Geheimnummer (PIN) eines Benutzers nicht durch einen böswilligen Lauscher abgefangen werden kann. Die Zellularfernsprechindustrie wird zur Zeit von Netzwerkpiraten belagert, und die Verluste in der Industrie werden als jährlich fast eine Milliarde Dollar erreichend angegeben. Um diesen konkreten Misserfolg der Zellularindustrie nicht zu wiederholen, sollten Entwickler von RFID-Systemen die Netzwerksicherheit als eine Priorität betrachten. Es bestehen drei wesentliche Sicherheitsprobleme bei der Übertragung von Daten in einem drahtlosen System:
1. Ein rechtmäßiges Etikett und ein rechtmäßiger Interrogator sind an einer Kommunikationssitzung beteiligt, bei der heikle Daten übermittelt werden, die ein böswilliger Lauscher gerne abfangen würde.
2. Ein rechtmäßiger Interrogator würde durch ein betrügerisches Etikett abgefragt, das versucht, bedient zu werden, um so Daten zu erfassen, die in dem Netzwerk oder in einem Anwendungsprozessor gespeichert sind. (Dies ähnelt dem Diebstahl von Zellularfunkzeit.)
3. Ein rechtmäßiges Etikett würde durch einen betrügerischen Interrogator abgefragt, der versucht, in dem Speicher des Etiketts gespeicherte Daten zu erfassen (wie der Diebstahl der PIN-Nummer von einem Zellularfernsprecher).
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Verschlüsselung sowohl der Daten in dem Speicher eines Etiketts als auch der in einem Anwendungsprozessor gespeicherten Daten, wobei man alle drei oben skizzierten Sicherheitsverletzungen vereiteln kann, indem nur chiffrierte Daten zwischen Netzwerkendpunkten übermittelt werden. Dieses Verfahren verschlüsselt die PIN des RFID-Benutzers und das Abfangen und die anschließende illegale Verwendung von RFID-Daten wird dadurch mindestens so schwierig wie für derzeitige ATM-Karten. Das Verschlüsselungsverfahren kann auf dem amerikanischen digitalen Verschlüsselungsstandard (DES) der ersten oder dritten Stufe basieren. Der persönliche Verschlüsselungsschlüssel des Etiketts ist nur der Finanzdatenbank und dem RFID-Etikett bekannt. Dieses Verfahren kann auf jede Art von Geld-, Konto-, Identifizierungs- oder Kreditkarte angewandt werden.
Aus der EP-A-0577328 ist ein sicheres Maut- Bezahlungssystem bekannt, das durch Senden eines veränderbaren Verschlüsselungscode aus einem Gerät am Straßenrand an einer Mautbezahlungsstation zu einem sich bewegenden Fahrzeug realisiert wird. Danach verwendet das sich bewegende Fahrzeug den Verschlüsselungscode zur Verschlüsselung von Bezahlungsinformationen gemäß dem Algorithmus des Datenverschlüsselungsstandards. Das sich bewegende Fahrzeug sendet die verschlüsselten Bezahlungsinformationen zu dem Gerät am Straßenrand, das eine Kredit- oder Zahlungstransaktion durchführt. Da sich der Verschlüs selungscode in Abständen ändert, ändert sich genauso die Beschaffenheit des Signals, das durch das Fahrzeug gesendet wird; der Betrug auf der Grundlage des elektronischen Lauschens wird im wesentlichen eliminiert. Der Verschlüsselungscode umfasst eine 8- Bit-Zufallszahl und eine Zeit/Datumszahl.
Auf dem Fahrzeug angebrachte Geräte umfassen eine Transpondereinheit und eine tragbare Chipkarte, die in diese eingeführt wird. Das Gerät am Straßenrand umfasst einen Straßenrandleser, der ein Paar beabstandete Antennen enthält, die sequentiell entlang einer Schnellstraße an einer Mautstation angeordnet sind, und einen Computer oder Server, der diese steuert. Der Server verwendet die Chipkarten-ID-Nummer, um ihren Geheimcode nachzuschlagen, oder er erzeugte den Geheimcode unter Verwendung der Karten-ID-Nummer und eines geheimen Algorithmus. Der Geheimcode, der Verschlüsselungscode und das Guthaben der Chipkarte werden kombiniert und mit dem DES-Algorithmus verarbeitet, um eine verschlüsselte Nummer (P') zu erzeugen, die mit einer durch die Chipkarte erzeugten verschlüsselten Nummer (P) verglichen wird.
Aus der WO-A-91/17515 ist ein elektronisches Identifizierungssystem bekannt, das einen Sender zum Erzeugen eines elektromagnetischen Erregungssignals, einen oder mehrere tragbare Transponder zum Speichern variabler Identifizierungsdaten und zum Senden eines Informationssignals, das die Identifizierungsdaten enthält, bei Eintritt in das Feld. Die Übertragung des Informationssignals ist sowohl Zeit- als auch frequenzmäßig unabhängig von dem Erregungssignal. Ein Funkfrequenzempfänger wird zum Empfangen des Informationssignals und, als Reaktion auf dieses, zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das die in dem Informationssignal enthaltenen variablen Identifizierungsdaten darstellt, bereitgestellt. Das System ermöglicht das Wählen einer Erregungsfrequenz für eine optimale Leistung unter gegebenen Umständen, die durch jede Anwendung vorgeschrieben werden; und ein unabhängiger Antwortkanal kann gemäß den Anforderungen jeder Installation oder Anwendung gewählt werden, wodurch das Senden von Antwortsignalen durch Transponder mit einer Frequenz ermöglicht wird, die sich von der Frequenz eines Störsignals unterscheidet.
Aus der EP-A-0670558 ist ein Kommunikationssystem mit modulierter Rückstreuung (z. B. ein elektronisches Regaletikettierungssystem (ESL-System)) bekannt, das einen zentralen Knoten (z. B. einen Deckenknoten und einen oder mehrere abgesetzte Knoten (z. B. ESL-Etiketten) enthält. Der zentrale Knoten sendet ein Abwärtsstreckenfunksignal, das in einem abgesetzten Knoten reflexiv moduliert wird, um ein moduliertes reflektiertes Funksignal zu erzeugen. Im abgesetzten Knoten wird ein Hilfsträgersignal, das eine genaue Frequenz aufweist, mit einem Aufwärtsstreckeninformationssignal moduliert, um ein moduliertes Signal zu erzeugen, mit dem das modulierte reflektierte Funksignal erzeugt wird. Im zentralen Knoten wird das modulierte reflektierte Funksignal empfangen, detektiert und schmalbandig gefiltert, um das modulierte Hilfsträgersignal zu erhalten, das dann demoduliert wird, um das Aufwärtsstreckeninformationssignal zu gewinnen, wobei eine große Immunität gegenüber Funkrauschen und Leuchtstoffröhrenrückstreustörungen in der Nähe der Trägerabwärtsstrecke besteht.
Aus der US-A-5,485,520 ist die Verwendung einer oder mehrerer Sammelstationen am Straßenrand (RCS) bekannt, die über eine schnelle bidirektionale Mikrowellenkommunikationsstrecke mit kurzer Reichweite mit einer oder mehreren, in Fahrzeugen angeordneten Einheiten (IVU) kommunizieren, die einem oder mehreren jeweiligen entsprechenden Fahrzeugen in einer oder mehreren Spuren einer Autobahn zugeordnet sind. Mindestens zwei Aufwärtsstreckenkommunikationssitzungen (IVU zu RCS) und mindestens eine Abwärtsstreckenkommunikationssitzung (RCS zu IVU) werden in Echtzeit während der begrenzten Dauer einer RCS-Kommunikationskennung abgewickelt, während sich das Fahrzeug entlang seiner Spur an einer Autobahnmautstation vorbeibewegt. Es wird eine besonders effiziente Datenformatierung und -verarbeitung verwendet, damit während dieses kurzen Intervalls die Berechnung der erforderlichen Mautgebühr und eine voll verifizierte und kryptographisch gesicherte (vorzugsweise anonyme) Belastung einer Chipkarte, die elektronisches Geld enthält, ermöglicht wird. Vorzugsweise wird eine nicht verfolgbare elektronische Prüfung in einem kryptographisch versiegelten Umschlag mit Öffner übermittelt. Transaktionsverbindungsdaten werden in jeder Phase der vollständigen Mautbezahlungstransaktion verwendet, um einen gleichzeitigen RCS/IVU-Betrieb in mehreren Spuren zu erleichtern. Außerdem werden ein lokales Stations- Computernetz und eine Abwärtsstrecken-Stationssteuerung verwendet, um gleichzeitige Transaktionen in mehreren Spuren zu erleichtern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Funkkommunikationssystem nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Funkkommunikation nach Anspruch 10 bereitgestellt.
Ein MBS-Funkkommunikationssystem umfasst einen Interrogator, der ein erstes moduliertes Signal durch Modulieren eines ersten Informationssignals auf ein Funkträgersignal erzeugt. Der Interrogator sendet das erste modulierte Signal zu mindestens einem abgesetzten Etikett des Systems. Das abgesetzte Etikett empfängt und verarbeitet das empfangene erste modulierte Signal. Die Reflexion des ersten modulierten Signals wird durch ein zweites Informationssignal rückstreumoduliert, wobei das reflektierte Signal ein zweites moduliertes Signal ist. Der Interrogator empfängt und demoduliert das zweite modulierte Signal zur Gewinnung des zweiten Informationssignals. Bei einer Ausführungsform verwendet die Demodulation einen Homodyndetektor und das erste modulierte Signal als die Überlagerungsquelle für den Homodyndetektor. Bei einer anderen Ausführungs form wird das zweite Informationssignal auf einen Hilfsträger aufmoduliert, der dann auf das erste modulierte Signal rückstreumoduliert wird. Der Interrogator übermittelt das zweite Informationssignal zu einem Anwendungsprozessor; das zweite Informationssignal enthält private Informationen, die nur dem Etikett und dem Anwendungsprozessor bekannt sind. Sowohl das Etikett als auch der Anwendungsprozessor verwenden digitale Verschlüsselungsverfahren zum Chiffrieren der Ende-zu-Ende- Übermittlungen der privaten Informationen.
Die vorliegende Beschreibung skizziert drei Stufen der Sicherheit, für die, abhängig von der RFID- Anwendung, ein Anwendungsprozessor, mindestens ein Interrogator und mindestens ein Etikett Informationen austauschen können: Die erste Stufe ist die Betriebsart "Normal", bei der ein Etikett und Interrogator die RFID des Etiketts austauschen. Die zweite Stufe ist das Senden und Erkennen einer "sicheren" RFID zwischen einem Etikett und dem Anwendungsprozessor unter Verwendung des Interrogators als Umsetzer von "Drahtlos-zu- Drahtleitung". Die dritte Stufe ist die Übermittlung sicherer Nachrichten zwischen einem Etikett und Anwendungsprozessor. Dazu kann das Herunterladen neuer Informationen zu einem Etikett gehören; dies ist ein "Lese/Schreib"-Etikett, bei dem die im Speicher gespeicherten Daten heikel sind, d. h. auf einer Kreditkarte gespeichertes Guthaben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines beispielhaften Funkfrequenzidentifizierungssystems (RFID-Systems);
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Interrogatoreinhait, die in dem RFID-System von Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Etiketteneinheit, die in dem RFID-System von Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 4 den Fluss von Informationen zwischen dem Etikett, Interrogator und dem Anmeldungsprozessor als Funktion der Zeit während der Übermittlung einer sicheren Nachricht;
Fig. 5 ein Blockschaltbild, wie der Prozessor eines Etiketts und der Anwendungsprozessor die Zufallsabfrageantwort berechnen;
Fig. 6 den Fluss von Informationen zwischen dem Anwendungsprozessor, dem Interrogator und mindestens einem Etikett, wobei der Anwendungsprozessor neue Informationen in den Speicher des Etiketts schreibt.

Ausführliche Beschreibung

Bei einer Klasse von RFID-Anwendungen wird RFID-Technologie zum Lesen von Informationen aus einem an einem Behälter oder an einer Palette angebrachten Etikett verwendet. Bei dieser Anwendung wird der Behälter über das Lesefeld eines Interrogators hinweg bewegt. Das Lesefeld ist als das Raumvolumen definiert, in dem eine erfolgreiche Transaktion stattfinden kann. Wenn sich das Etikett in dem Lesefeld befindet, müssen der Interrogator und das Etikett ihren Informationsaustausch abschließen, bevor sich das Etikett aus dem Abfragefeld herausbewegt. Da sich das Etikett durch das Lesefeld hindurch bewegt, hat das RFID-System nur eine beschränkte Zeit zum erfolgreichen Abschluss der Transaktion.

Betriebsart Normal

Mit Bezug auf Fig. 1 ist ein Gesamtblockschaltbild eines beispielhaften RFID-Systems gezeigt, das zur Beschreibung der Anwendung der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Ein Anwendungsprozessor 101 kommuniziert über ein lokales Netz (LAN) 102 mit einer Vielzahl von Interrogatoren 103-104. Die Funktionen des Anwendungsprozessors und des Interrogators können in demselben Gerät oder separat vorliegen. In der vorliegenden Beschreibung werden die logischen Funktionen beschrieben, die durch jedes Gerät durchgeführt werden. Die Interrogatoren können dann jeweils mit einem oder mehreren der Etiketten 105-107 kommunizieren. Zum Beispiel empfängt der Interrogator 103 ein Informationssignal in der Regel von einem Anwendungsprozessor 101. Der Interrogator 103 erfaßt dieses Informationssignal und der Prozessor 200 (Fig. 2) formatiert ordnungsgemäß eine Abwärtsstreckennachricht (Informationssignal 200a), die zu dem Etikett gesendet werden soll. Mit Bezug auf Fig. 1 und 2 erzeugt eine Funksignalquelle 201 ein Funksignal, der Modulator 202 moduliert das Informationssignal 200a auf das Funksignal und der Sender 203 sendet dieses modulierte Signal über eine Antenne 204, wobei beispielsweise Amplitudenmodulation verwendet wird, zu einem Etikett. Der Grund für die gänzige Wahl von Amplitudenmodulation besteht darin, dass das Etikett ein solches Signal mit einem einzigen, kostengünstigen nichtlinearen Bauelement (wie zum Beispiel einer Diode) demodulieren kann.
In dem Etikett 105 (siehe Fig. 3) empfängt die Antenne 301 (häufig eine Schleifen- oder Folienantenne) das modulierte Signal. Dieses Signal wird direkt in das Basisband demoduliert, wobei der Detektor/Modulator 302 verwendet wird, bei dem es sich beispielsweise um eine einzelne Schottky-Diode handeln könnte. Die Diode sollte entsprechend mit dem ordnungsgemäßen Stromwert vorgespannt werden, um die Impedanz der Diode und der Antenne 301 anzupassen, so dass Verluste des Funksignals möglichst gering gehalten werden. Das Ergebnis des Diodendetektors ist im wesentlichen eine Demodulation des ankommenden Signals direkt in das Basisband. Das Informationssignal 200a wird dann durch einen Verstärker 303 verstärkt und in einer Takt- und Synchronisierungswiederherstellungsschaltung 304 die Synchronisierung wiederhergestellt. Die Taktwiederherstellungsschaltung 304 kann dadurch verbessert werden, dass der Interrogator das amplitudenmodulierte Signal unter Verwendung der Manchester-Codierung sendet. Die resultierenden Informationen werden zu einem Prozessor 305 gesendet. Der Prozessor 305 ist in der Regel ein kostengünstiger 8-Bit-Mikroprozessor; die Taktwiederherstellungsschaltung 304 kann in einem ASIC (einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung) implementiert werden, der mit dem Prozessor 305 zusammenarbeitet. Der Prozessor 305 erzeugt ein Informationssignal 306, das aus dem Etikett 105 zurück zu dem Interrogator (wie zum Beispiel dem Interrogator 103) zu senden ist. Dieses Informationssignal 306 wird (unter der Steuerung der Taktwiederherstellungs- und Rahmensynchronisierung 304) zu einer Modulatorsteuerschaltung 307 gesendet, die das Informationssignal 306 zum Modulieren einer Hilfsträgerfrequenz verwendet, die durch die Hilfsträgerfrequenzquelle 308 erzeugt wird. Die Frequenzquelle 308 könnte ein von dem Prozessor 305 getrennter Kristalloszillator oder eine Frequenzquelle sein, die aus in dem Prozessor 305 vorliegenden Signalen abgeleitet wird, wie zum Beispiel ein Divisor der Haupttaktfrequenz des Prozessors. Das modulierte Hilfsträgersignal 311 wird durch den Detektor/Modulator 302 verwendet, um das modulierte Signal zu modulieren, das aus dem Etikett 105 empfangen wird, um ein moduliertes Rückstreusignal zu erzeugen, das hier auch als ein reflektiertes Signal bezeichnet wird. Dies wird durch Ein- und Ausschalten der Schottky-Diode unter Verwendung des modulierten Hilfsträgersignals 311 erzielt, wodurch der Reflexionsgrad der Antenne 301 verändert wird. Eine Batterie 310 oder eine andere Stromquelle liefert Strom für die Schaltkreise des Etiketts 105.

Sichere Betriebsart

Durch die vorliegende Erfindung können ein Etikett und ein Interrogator mit MBS-Technologie proprietäre Informationen austauschen. Fig. 4 zeigt den Austausch von Informationen über die Zeit hinweg zwischen einem Etikett, einem Interrogator und dem Anwendungsprozessor unter Verwendung digitaler Verschlüsselungsverfahren. Die Abfrage eines Etiketts kann einfach dadurch eingeleitet werden, dass ein Etikett in die Hochfrequenznähe (HF-Nähe) des Interrogators eintritt, abhängig von dem genauen Dienst oder der spezifischen Anwendung. In allen Fällen erfasst das Etikett das Signal 401 des Interrogators und sendet seine RFID 402 aus. Der Interrogator, dem die PIN oder der Verschlüsselungsschlüssel des Etiketts nicht bekannt ist, sendet die Informationen weiter zu dem Anwendungsprozessor, so wie sie durch die Art von ID-Nummer identifiziert werden, die durch das Etikett vorgelegt wird. Der Interrogator erzeugt außerdem eine Zufallszahl und leitet diese sowohl zu dem Etikett als auch zu dem Anwendungsprozessor weiter. Die Zufallszahl wird durch den Interrogator 103 ausgewählt und ist vorher weder dem Etikett noch dem Anwendungsprozessor bekannt. Der Anwendungsprozessor schlägt wiederum die entsprechenden Identifizierungsinformationen nach und erzeugt unter Verwendung der Verschlüsselungsinformationen, die den ID-Informationen des Etiketts zugeordnet sind, eine Antwort, die funktionsmäßig auf der PIN (Verschlüsselungsschlüssel) des RFID-Benutzers und der durch den Interrogator 405 gesendeten Zufallszahl basiert. Anschließend hat der Interrogator außerdem dieselbe Zufallszahl zu dem Etikett 404 zurückgesendet und erwartet dieselbe funktionsmäßig basierte Antwort 406. Bei diesem Szenario wird eine Fortsetzung weiterer Transaktionen zwischen dem Etikett und dem Anwendungsprozessor durch den Interrogator nur dann erlaubt, wenn der Prozessor und das Etikett dieselbe Antwort auf die Zufallsabfrage zurückgeben. In diesem Fall benachrichtigt der Interrogator das Etikett und den Anwendungsprozessor, ob die Transaktion angenommen oder zurückgewiesen wird 409, 410. Man beachte, dass in diesem Szenario an keiner Stelle in dem Netz Informationen über die PIN oder den Verschlüsselungsschlüssel des Etiketts gesendet wurden. Der Verschlüsselungsschlüssel ist nur dem Etikett und dem Anwendungsprozessor bekannt und wird bei der Ausgabe des Etiketts verteilt. Außerdem werden alle Daten verschlüsselt, bevor sie auf einem beliebigen Teil des Netzes gesendet werden. Die einzige Informationseinheit, die nicht geschützt wird, ist die ID-Nummer des Etiketts, die an sich für einen Lauscher nicht nützlich ist und als öffentliche Information behandelt wird. Deshalb berücksichtigt dieses Verfahren der Benutzerauthentifizierung und der anschließenden Datenübertragung alle drei oben skizzierten Sicherheitsfragen.
Die durch das hier skizzierte Verschlüsselungsverfahren gelieferte Sicherheit besteht darin, dass die Antwort auf die Zufallszahl des Interrogators auf einer "Einbahnfunktion" basiert, die die entsprechende Antwort erzeugt. Eine Einbahnfunktion ist durch den Umstand gekennzeichnet, dass ein Lauscher, der die Ausgabe der Funktion sieht, die Eingabe (in diesem Falle die geheime PIN) auch dann nicht rekonstruieren kann, wenn er die konkrete Funktion kennt. Sowohl der Anwendungsprozessor als auch das Etikett verwenden dieselbe Funktion, die durch den Verschlüsselungsschlüssel bestimmt wird, um die Informationsdaten zu chiffrieren und zu dechiffrieren. Fig. 5a zeigt ein Etikett, das unter Verwendung einer Einbahnfunktion die Antwort auf eine Zufallsabfrage berechnet. In Fig. 5b ist die "erste Runde" eines DES- Verschlüsselungsprozesses gezeigt. Bei einem Code der DES-Stufe Eins finden 16 Codierungsrunden zur Verschlüsselung von 64 Datenbit statt. Die genaue Funktion ist eindeutig dem Datenbankeintrag jedes Benutzers zugeordnet, da sie von dem Verschlüsselungsschlüssel des konkreten Benutzers abhängt. Zum Beispiel kann mit der derzeitigen Technologie eine 64-Bit-PIN unter Verwendung einer Funktion der DES-Stufe Eins durch einen 8-Bit- Mikroprozessor in ungefähr 1 ms verschlüsselt werden. Somit ist es kosteneffektiv, die digitale Verschlüsselung zu implementieren und dennoch in der Lage zu sein, einfache und billige RFID-Etiketten herzustellen.
Es ist wichtig, eine Systemsicherheit zu entwerfen, die über die gesamte Lebensdauer des RFID- Systems effektiv sein wird. Wie oben erwähnt haben Entwickler von zellularen Netzen die technischen Fortschritte und Kostenverminderungen von HF-Meßgeräten und die weite Verbreitung billiger, leistungsfähiger und tragbarer Computer nicht vorausgesehen. Deshalb ist eine Frage, die berücksichtigt werden muss, welchen Grad der Sicherheit das MBS-System gegenüber zukünftigen Angriffen liefern kann. Eine weitere Implementierungsfrage, die sich stark auf das zeitliche Ansprechverhalten des RFID-Systems auswirken wird, sind die Netz- und Verarbeitungsverzögerungen einer HF- Funkschnittstelle und die Verbindung mit der Authentifizierungs-/Transaktionsdatenbank.

Sichere Nachrichten

Das obige Beispiel (Fig. 4) zeigt, wie ein Etikett heikle Informationen mit einem Anwendungsprozessor austauschen kann. Fig. 6 zeigt, wie der Anmeldungsprozessor die auf einem Lese/Schreib- RFID-Etikett gespeicherten Informationen ändern kann. Nach dem Abschluss der oben beschriebenen Etikettenauthentifizierungsprozeduren kann es der Anwendungsprozessor als notwendig erachten, die auf dem Etikett gespeicherten Informationen zu ändern. (Zum Beispiel das verbleibende Guthaben auf einer Kreditkarte oder der Luftfrachtbrief auf einem Flugzeugfrachtcontainer.) In diesem Fall verschlüsselt der Anwendungsprozessor digital alle Befehlsnachrichten und Informationsnachrichten mit dem "Verschlüsselungsschlüssel" des konkreten Etiketts. Nach dem Abschluss aller Datenübertragungen entschlüsselt das Etikett alle neuen Daten und speichert sie in seinem Speicher. Der HF-Kanal ist jedoch ein unzuverlässiges Medium und erzeugt im allgemeinen Fehler in dem Datenübertragungsstrom. Da nur die Endpunkte des Netzes in der Lage sind, die Informationen zu dechiffrieren, würde eine unnotwendige Verzögerung hinzugefügt, wenn Daten, die durch eine drahtlose Übertragung verfälscht werden, erneut zwischen den Endpunkten gesendet werden müssten. Da dem Interrogator nur die ID des Etiketts und nicht die PIN oder der Verschlüsselungsschlüssel bekannt ist, benötigt er einen Mechanismus zur Sicherstellung, dass das Etikett alle Informationen korrekt empfangen hat, wenn über den Funkkanal gesendet wird.
Deshalb sollte der Interrogator eine Fehlererkennungs- und/oder Vorwärts-Fehlerkorrekturcodierung zu den übertragenen Daten hinzufügen. Dadurch muss jede erforderliche erneute Übertragung nur zwischen dem Etikett und dem Interrogator stattfinden, wodurch die Latenz der erneuten Übertragung verringert wird. Zum Beispiel kann der Interrogator ein CRC-Byte oder mehrere CRC-Bytes berechnen und an das Ende jedes übertragenen Pakets anfügen, wodurch sowohl eine Fehlererkennung als auch eine begrenzte Fehlerkorrektur möglich wird. Das Etikett berechnet wiederum die CRC für jedes empfangene Nachrichtenpaket und fordert eine erneute Übertragung nur bei verfälschten Paketen an.
Deshalb können verschlüsselte Daten zwischen dem Anwendungsprozessor und einem Etikett gesendet werden, ohne daß über die drahtlose Funkschnittstelle Verschlüsselungsschlüssel (PINs) weitergeleitet werden müssen. Da alle Daten verschlüsselt werden bevor sie über die Drahtleitung zu dem Interrogator übertragen werden, liefert dieses Verfahren eine Ende-zu-Ende- Sicherheit für das MBS-System.
Dadurch entstehen zwei unmittelbare Vorteile: Erstens können verschiedene Anwendungen verschiedene Verschlüsselungsalgorithmen verwenden, die von der Stufe der Sicherheit, die von der Anwendung benötigt wird, oder von der maximalen Verzögerungszeit, die eine Anwendung während des Informationsaustauschs tolerieren kann, abhängen können. Da nur die Endpunkte chiffrieren, können die Daten im voraus verschlüsselt und in einem Speicher gespeichert werden, wodurch sich die Latenz verringert. Wenn die Computer und Mikroprozessoren, die von böswilligen Lauschern als Werkzeuge verwendet werden, leistungsfähiger werden, können zweitens die Verschlüsselungsalgorithmen elegant durch jede neue Version des MBS-Systems aktualisiert werden. Da nur der Eintrag für das Etikett und der Eintrag des Etiketts für den konkreten Anwendungsprozessor aktualisiert werden müssen, müssen keine weiteren Teile des MBS-Systems modifiziert werden.
Mit dem obigen Verfahren als Beispiel wird ein kostengünstiger bidirektionaler, digital verschlüsselter Funkkommunikationskanal mit kurzer Reichweite implementiert. Die Implementierung wird kostengünstig, indem als Etikettenbauelemente z. B. eine Schottky- Diode, ein Verstärker zur Verstärkung der Signalstärke, Bit- und Rahmensynchronisierungsschaltungen, ein kostengünstiger 8-Bit-Mikroprozessor, Hilfsträgererzeugungsschaltkreise und eine Batterie verwendet werden. Die meisten dieser Gegenstände werden bereits für andere Anwendungen millionenfach hergestellt und sind somit nicht sehr kostspielig.
Die vorliegende Erfindung skizziert drei Stufen der Sicherheit, mit denen abhängig von der RFID- Anwendung ein Anwendungsprozessor, mindestens ein Interrogator und mindestens ein Etikett Informationen austauschen können: Die erste Stufe ist die Betriebsart "Normal", bei der ein Etikett und ein Interrogator die RFID des Etiketts austauschen. Die zweite Stufe ist das Senden und Erkennen einer "sicheren" RFID zwischen einem Etikett und einem Anwendungsprozessor unter Verwendung des Interrogators als einen Umsetzer von "Drahtlos-zu- Drahtleitung". Die dritte Stufe ist die Übermittlung sicherer Nachrichten zwischen einem Etikett und einem Anwendungsprozessor. Dazu kann das Herunterladen neuer Informationen zu einem Etikett gehören; dabei handelt es sich um ein "Lese/Schreib"-Etikett, bei dem die im Speicher gespeicherten Daten heikel sind, wie zum Beispiel auf einer Kreditkarte gespeichertes Guthaben.
Es wurden lediglich Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fachleute können andere Anordnungen und Verfahren implementieren, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, der durch die angefügten Ansprüche definiert wird, abzuweichen.

Claims

1. Funkkommunikationssystem mit einer Abfragevorrichtung (103), die zum Senden eines Funksignals ausgelegt ist, und einem Etikett (105), das zum Empfangen der Funksignale aus der Abfragevorrichtung ausgelegt ist, wobei

das Etikett (105) einen Rückstreumodulator (302) in Empfangsbeziehung zu einer Quelle einer eindeutigen Kennung umfasst, wobei der Rückstreumodulator (302) zum Modulieren einer Reflexion des Funksignals aus der Abfragevorrichtung (103) unter Verwendung der eindeutigen Kennung ausgelegt ist, wodurch ein durch die eindeutige Kennung moduliertes reflektiertes Funksignal gebildet wird, und

die Abfragevorrichtung (103) einen Demodulator (208) in Empfangsbeziehung zu dem durch die eindeutige Kennung modulierten reflektierten Funksignal umfasst, so dass die eindeutige Kennung aus dem durch die eindeutige Kennung modulierten reflektierten Funksignal wiederherstellbar ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Abfragevorrichtung (103) ein Mittel zum Erzeugen einer Zufallsabfrage und zum Senden der Zufallsabfrage und der eindeutigen Kennung zu einem Anwendungsprozessor (101), einen zum Modulieren des Funksignals unter Verwendung der Zufallsabfrage ausgelegten Modulator (202) und ein Mittel (203, 204) zum Senden eines durch die Zufallsabfrage modulierten Funksignals zu dem Etikett umfasst;

die Abfragevorrichtung (103) weiterhin ein Mittel zum Empfangen einer ersten verschlüsselten Antwort aus dem Anwendungsprozessor (101) umfasst, wobei die erste verschlüsselte Antwort auf der Zufallsabfrage und einem vorbestimmten Verschlüsselungsschlüssel, der durch den Anwendungsprozessor auf der Grundlage der eindeutigen Kennung abgerufen wird, basiert;

das Etikett (105) ein Mittel zum Erzeugen einer zweiten verschlüsselten Antwort unter Verwendung mindestens der Zufallsabfrage und des vorbestimmten Verschlüsselungsschlüssels umfasst;

der Rückstreumodulator (302) zum Modulieren der Reflexion des Funksignals unter Verwendung der zweiten verschlüsselten Antwort ausgelegt ist, wodurch ein durch die zweite verschlüsselte Antwort moduliertes reflektiertes Funksignal erzeugt wird;

der Demodulator (208) zum Demodulieren des durch die zweite verschlüsselte Antwort modulierten reflektierten Funksignals zur Wiederherstellung der zweiten verschlüsselten Antwort ausgelegt ist; und

die Abfragevorrichtung (103) ein Mittel (200) zum Vergleichen der ersten und zweiten verschlüsselten Antwort und ein Mittel (200) zum Annehmen oder Zurückweisen des Etiketts auf der Grundlage von Ergebnissen solcher Vergleiche umfasst.

2. System nach Anspruch 1, wobei der Anwendungsprozessor (101) ein Mittel zum Erzeugen der ersten verschlüsselten Antwort unter Verwendung mindestens der Zufallsabfrage und der eindeutigen Kennung und ein Mittel zum Senden der ersten verschlüsselten Antwort zu der Abfragevorrichtung (103) umfasst.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei:

das Etikett (105) ein Mittel (308) zum Erzeugen eines Hilfsträgersignals und ein Mittel (307) zum Modulieren des Hilfsträgersignals unter Verwendung der eindeutigen Kennung, wodurch ein durch die eindeutige Kennung moduliertes Hilfsträgersignal gebildet wird, umfasst; und

der Rückstreumodulator (302) zum Modulieren der Reflexion des Funksignals unter Verwendung des durch die eindeutige Kennung modulierten Hilfsträgersignals ausgelegt ist.

4. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei:

der Anwendungsprozessor (101) ein Mittel zum Senden eines verschlüsselten Informationssignals zu der Abfragevorrichtung (103) umfasst;

sich die Abfragevorrichtung (103) in bezug auf die verschlüsselten Informationen in Empfangsbeziehung zu dem Anwendungsprozessor (101) befindet;

die Abfragevorrichtung (103) ein Mittel zum Hinzufügen der eindeutigen Kennung zu dem aus dem Anwendungsprozessor (101) empfangenen verschlüsselten Informationssignal, wodurch ein adressiertes Informationssignal gebildet wird, umfasst;

die Abfragevorrichtung (101) ein Mittel (200) zum Hinzufügen einer CRC-Codierung zu dem adressierten Informationssignal, wodurch ein Nachrichtensignal gebildet wird, umfasst;

der Modulator (202) zum Modulieren des Funksignals mit dem Nachrichtensignal, wodurch ein durch das Nachrichtensignal moduliertes Funksignal gebildet wird, ausgelegt ist, wobei Mittel (203, 204) zum Senden des durch das Nachrichtensignal modulierten Funksignals zu dem Etikett (105) bereitgestellt sind; und

das Etikett (105) ein Mittel zum Empfangen (301) und Demodulieren (302) des durch das Nachrichtensignal modulierten Funksignals, wodurch das Nachrichtensignal wiederhergestellt wird, ein Mittel (305) zum Berechnen und Entfernen des CRC-Codes aus dem Nachrichtensignal, wodurch das adressierte Informationssignal wiederhergestellt wird, ein Mittel (305) zum Entfernen der eindeutigen Kennung aus dem adressierten Informationssignal, wodurch das verschlüsselte Informationssignal wiederhergestellt wird, und ein Mittel zum Speichern des verschlüsselten Informationssignals umfasst.

5. System nach Anspruch 4, wobei das Etikett (105) ein Mittel (305) zum Entschlüsseln des verschlüsselten Informationssignals, wodurch unverschlüsselte Informationen wiederhergestellt werden, und ein Speichermedium für die unverschlüsselten Informationen umfasst.

6. System nach Anspruch 4, wobei:

das Etikett (105) ein Mittel (305) zum Bestimmen der Anwesenheit oder Abwesenheit von Übertragungsfehlern auf der Grundlage der CRC-Codierung und ein Mittel (305) zum Erzeugen eines negativen Bestätigungssignals im Fall solcher Übertragungsfehler umfasst;

der Rückstreumodulator (302) zum Modulieren der Reflexion des Funksignals unter Verwendung des negativen Bestätigungssignals, wodurch ein durch das negative Bestätigungssignal moduliertes reflektiertes Funksignal gebildet wird, ausgelegt ist;

der Demodulator (208) zum Demodulieren des durch das negative Bestätigungssignal modulierten reflektierten Funksignals, wodurch das negative Bestätigungssignal wiederhergestellt wird, ausgelegt ist; und

die Abfragevorrichtung (103) ein Mittel (200) zum Entscheiden, auf der Grundlage des Inhalts des negativen Bestätigungssignals, ob eine Sendewiederholung erfolgen sollte, umfasst.

7. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei:

sich der Rückstreumodulator (302) in Empfangsbeziehung zu einer Quelle (305) eines verschlüsselten Signals befindet und zum Modulieren der Reflexion des Funksignals aus der Abfragevorrichtung (103) unter Verwendung des verschlüsselten Signals aus der Quelle, wodurch ein durch das verschlüsselte Signal moduliertes reflektiertes Funksignal gebildet wird, ausgelegt ist;

sich der Demodulator (208) in Empfangsbeziehung zu dem durch das verschlüsselte Signal modulierten reflektierten Funksignal befindet, so dass der Demodulator das verschlüsselte Signal erhält; und

die Abfragevorrichtung (103) ein Mittel zum Senden des verschlüsselten Signals zu dem Anwendungsprozessor (101) umfasst.

8. System nach Anspruch 7, wobei:

das Etikett (105) einen Generator (308) für ein Hilfsträgersignal umfasst und ein Hilfsträgermodulator (307) bereitgestellt ist, der zum Modulieren des Hilfsträgersignals unter Verwendung des verschlüsselten Signals, wodurch ein durch das verschlüsselte Signal moduliertes Hilfsträgersignal gebildet wird, ausgelegt ist; und

der Rückstreumodulator (302) zum Modulieren der Reflexion des Funksignals unter Verwendung des durch das verschlüsselte Signal modulierten Hilfsträgersignals ausgelegt ist.

9. System nach Anspruch 7, wobei der Anwendungsprozessor (101) ein Mittel zum Dechiffrieren des verschlüsselten Signals, wodurch ein Informationssignal gebildet wird, und ein Mittel zum Speichern des Informationssignals umfasst.

10. Verfahren zur Funkkommunikation mit den folgenden Schritten:

Senden eines Funksignals von einer Abfragevorrichtung zu einem Etikett (401);

Modulieren einer Reflexion des Funksignals unter mindestens teilweiser Verwendung einer eindeutigen Kennung in dem Etikett, wodurch ein durch die eindeutige Kennung moduliertes reflektiertes Funksignal gebildet wird (402);

Empfangen und Demodulieren des durch die eindeutige Kennung modulierten reflektierten Funksignals in der Abfragevorrichtung, wodurch die eindeutige Kennung wiederhergestellt wird; und

dadurch gekennzeichnet, dass

in der Abfragevorrichtung eine Zufallsabfrage erzeugt wird und die Zufallsabfrage und die eindeutige Kennung zu einem Anwendungsprozessor gesendet werden (403);

in der Abfragevorrichtung das Funksignal unter Verwendung der Zufallsabfrage moduliert wird, wodurch ein durch die Zufallsabfrage moduliertes Funksignal gebildet wird, und das durch die Zufallsabfrage modulierte Funksignal zu dem Etikett gesendet wird (404);

in der Abfragevorrichtung (103) eine erste verschlüsselte Antwort aus dem Anwendungsprozessor empfangen wird, wobei die erste verschlüsselte Antwort auf der Zufallsabfrage und einem vorbestimmten Verschlüsselungsschlüssel, der durch den Anwendungsprozessor auf der Grundlage der eindeutigen Kennung abgerufen wird, basiert, in dem Etikett (105) unter Verwendung mindestens der Zufallsabfrage und des vorbestimmten Verschlüsselungsschlüssels eine zweite verschlüsselte Antwort erzeugt und die Reflexion des Funksignals unter Verwendung der zweiten verschlüsselten Antwort moduliert wird, wodurch ein durch die zweite verschlüsselte Antwort moduliertes reflektiertes Funksignal (406) gebildet wird;

in der Abfragevorrichtung das durch die zweite verschlüsselte Antwort modulierte reflektierte Funksignal demoduliert wird, um die zweite verschlüsselte Antwort wiederherzustellen, und die erste und zweite verschlüsselte Antwort verglichen werden; und

auf der Grundlage des Ergebnisses des Vergleichsschritts eine Annahme und eine Zurückweisung des Etiketts angezeigt wird (409, 410).

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem:

in dem Anwendungsprozessor (101) die erste verschlüsselte Antwort unter Verwendung mindestens der Zufallsabfrage und der eindeutigen Kennung erzeugt wird; und

die erste verschlüsselte Antwort zu der Abfragevorrichtung gesendet wird (405).

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem:

in dem Etikett ein Hilfsträgersignal erzeugt wird und das Hilfsträgersignal unter Verwendung der eindeutigen Kennung moduliert wird, wodurch ein durch die eindeutige Kennung moduliertes Hilfsträgersignal gebildet wird; und wobei

in dem Etikett das Modulieren der Reflexion des Funksignals unter zumindest teilweiser Verwendung der eindeutigen Kennung ausgeführt wird, indem das durch die eindeutige Kennung modulierte Hilfsträgersignal verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem:

ein verschlüsseltes Informationssignal aus dem Anwendungsprozessor zu der Abfragevorrichtung gesendet wird;

in der Abfragevorrichtung die eindeutige Kennung zu dem verschlüsselten Informationssignal hinzugefügt wird, wodurch ein adressiertes Informationssignal gebildet wird;

dem adressierten Informationssignal CRC- Codierung hinzugefügt wird, wodurch ein Nachrichtensignal gebildet wird;

das Funksignal mit dem Nachrichtensignal moduliert wird, wodurch ein durch das Nachrichtensignal moduliertes Funksignal gebildet wird;

das durch das Nachrichtensignal modulierte Funksignal zu dem Etikett gesendet wird;

in dem Etikett das durch das Nachrichtensignal modulierte Funksignal demoduliert wird, wodurch das Nachrichtensignal wiederhergestellt wird;

in dem Etikett der CRC-Code berechnet und aus dem Nachrichtensignal entfernt wird, wodurch das adressierte Informationssignal wiederhergestellt wird;

in dem Etikett die eindeutige Kennung aus dem adressierten Informationssignal entfernt wird, wodurch das verschlüsselte Informationssignal wiederhergestellt wird; und

in dem Etikett das verschlüsselte Informationssignal gespeichert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem:

in dem Etikett das verschlüsselte Informationssignal entschlüsselt wird, wodurch unverschlüsselte Informationen gebildet werden; und

die unverschlüsselten Informationen gespeichert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem:

in dem Etikett auf der Grundlage von CRC- Codierung die Anwesenheit oder Abwesenheit von Übertragungsfehlern bestimmt wird und im Fall der Übertragungsfehler ein negatives Bestätigungssignal erzeugt wird;

in dem Etikett die Reflexion des Funksignals unter Verwendung des negativen Bestätigungssignals moduliert wird, wodurch ein durch das negative Bestätigungssignal moduliertes reflektiertes Funksignal gebildet wird;

in der Abfragevorrichtung das durch das negative Bestätigungssignal modulierte reflektierte Funksignal empfangen und demoduliert wird, wodurch das negative Bestätigungssignal wiederhergestellt wird;

auf der Grundlage des Inhalts des negativen Bestätigungssignals entschieden wird, ob eine Sendewiederholung erfolgen sollte;

das Funksignal mit dem Nachrichtensignal moduliert wird, wodurch das durch das Nachrichtensignal modulierte Funksignal gebildet wird; und

das durch das Nachrichtensignal modulierte Funksignal zu dem Etikett gesendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem:

in dem Etikett die Reflexion des Funksignals unter Verwendung eines verschlüsselten Signals moduliert wird, wodurch ein durch das verschlüsselte Signal moduliertes reflektiertes Funksignal gebildet wird;

in der Abfragevorrichtung das durch das verschlüsselte Signal modulierte reflektierte Funksignal empfangen und demoduliert wird, wodurch das verschlüsselte Signal erhalten wird; und

das verschlüsselte Signal zu dem Anwendungsprozessor gesendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem:

in dem Etikett ein Hilfsträgersignal erzeugt wird und das Hilfsträgersignal unter Verwendung des verschlüsselten Signals moduliert wird, wodurch ein durch das verschlüsselte Signal moduliertes Hilfsträgersignal gebildet wird; und wobei

in dem Etikett das Modulieren der Reflexion des Funksignals unter Verwendung des verschlüsselten Signals ausgeführt wird, indem das durch das verschlüsselte Signal modulierte Hilfsträgersignal verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem in dem Anwendungsprozessor:

das verschlüsselte Signal dechiffriert wird, wodurch ein Informationssignal gebildet wird; und das Informationssignal gespeichert wird.