JP2008542944A - 安全性を高めたｒｆｉｄ通信方法および装置 - Google Patents

Abstract

安全なＲＦＩＤシステム通信のための方法およびシステムを提供する。ＲＦＩＤシステムは、ＲＦＩＤタグ（１０２）と通信するＲＦＩＤリーダ（１０１）を含む。ＲＦＩＤリーダ（１０１）は、ＲＦＩＤタグ（１０２）に書き込み要求を送信する（１１６）。ＲＦＩＤタグ（１０２）は、ランダムデータ（Ｐ）を生成して、ＲＦＩＤリーダ（１０１）にこのランダムデータ（Ｐ）を送信する（１２２）。ＲＦＩＤシステムはランダムデータ（Ｐ）を用いて情報（Ｍ_２）を暗号化し、ＲＦＩＤリーダ（１０１）はランダムデータ（Ｐ）を用いて情報（Ｅ）を復号化するＲＦＩＤタグ（１０２）に暗号化された情報（Ｅ）を送信する（１２４）。最後に、ＲＦＩＤタグ（１０２）は、復号化された情報（Ｍ_２）をＲＦＩＤタグ（１０２）のメモリ（１０３）に格納する（１２６）。

Description

本発明はＲＦＩＤタグ、ＲＦＩＤシステム並びに、ＲＦＩＤタグとリーダとの間の通信方法に関する。

用語ＲＦＩＤ（radio frequency identification）は、無線周波数信号を使用して物品の自動識別機能を提供するものである。ＲＦＩＤ技術は、殆どの場合、比較的高い安全基準が要求される多数のアプリケーションで用いられる。また、異なるアクタ間の相互運用性も必要とされることが多い。

基本的に、ＲＦＩＤタグは、ＲＦ（無線周波数）アンテナを備えた電子マイクロ回路である。ＲＦＩＤタグは、データを内包する受動型電子デバイスであり、内包するデータは、例えば、ＲＦＩＤタグが取り付けられた物品の識別データである。ＲＦＩＤデバイスは、比較的小さく、実質的にあらゆる物品に取り付けることができる。受動型のＲＦＩＤタグは、無線周波数（ＲＦ）エネルギーによって、起動し給電することができる。この時、タグは、内蔵のＲＦアンテナを経て、その格納情報を送信する。このように、タグからのデータの読み出しが行われる。また一方では、情報が、タグの方へ一斉送信されて、内蔵のＲＦアンテナによって受け取られる。このように、データは、タグに書き込まれる。

ＲＦＩＤシステムは、一般に、ＲＦＩＤタグに加えてＲＦＩＤリーダも備える。リーダは、タグからＲＦ信号を受信して、そのデータを処理するためにホストシステムに渡す。リーダは、一般に、タグを起動させるためのＲＦエネルギーを生成するＲＦトランシーバも含む。強調すべきは、リーダがタグの読み出しと書き込みの双方の動作を行うことである。

上記から明らかなように、受動型ＲＦＩＤタグの特徴は、いかなるバッテリも必要としないことである。ＲＦＩＤタグは、ＲＦトランシーバによって供給されるＲＦエネルギーによって、直接給電される。結果として、ＲＦＩＤシステムは、比較的短い通信距離で動作し、例えば、ＩＳＯ−１４４４３標準に基づくシステムでは、タグおよびリーダは、一般に相互間の距離が１０センチメートル以上になったときに、通信ができなくなる。

この近接動作は、固有のセキュリティ機構とみなされる傾向にある。しかしながら、最近、ＲＦＩＤシステムへの攻撃は、予測していたより遠方から行うことができることが分かった。例えば、リーダからタグへの通信に対する攻撃が、ＲＦＩＤシステムから５０メートル離れた地点で成功することが最近示された。このことは、特にタグに情報を書き込む際に問題になる。（例えば、非特許文献１参照）

完全に安全な通信チャネルを確立することによってセキュリティを高めることは可能であるが、それには、比較的単純なＲＦＩＤタグに代えて、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭおよび公開鍵暗号演算処理手段を備えた本物のスマートカード（ＩＣカード）を使用する必要がある完全なスマートカードシステムが必要とされる。この種のシステムは、比較的高価になる。

Z. Kfir, A. Wool, "Picking Virtual Pockets using Relay Attacks on Contactless Smartcard Systems", ［online］, http://eprint.iacr.org/2005/052.pdf

本発明の目的は、比較的安価なコストで、ＲＦＩＤデバイス間、特に、ＲＦＩＤタグと関連のＲＦＩＤリーダとの間の通信の安全性を高めることである。

本発明の第１態様によれば、ＲＦＩＤリーダと通信するＲＦＩＤタグの記憶装置を制御する方法が提供される。この方法は、ＲＦＩＤタグ内で実行され、以下のステップを含む。
- 書き込み要求を受信するステップ
- ランダムデータを生成するステップ
- ランダムデータを送信するステップ
- 暗号化された情報を受信するステップ
- ランダムデータを用いて受信情報を復号化するステップ
そして、
- 復号化された情報を格納するステップ

言い換えれば、ランダムデータは、ワンタイムパッド方式で発生させても良いし、熱抵抗ノイズ、熱ショットノイズ、大気雑音および原子核崩壊のうちいずれかを測定することによって導出しても良い。ランダムデータと復号化された情報は、同一の長さを有し、それによりワンタイムパッドの特性を満たすものとし得る。

情報を復号化するステップの後に、ランダムデータを上書きするかまたは削除するステップを行うことができ、これらのステップは、読み取り要求の受信ステップとＲＦＩＤタグ情報の送信ステップの後に行うことができる。ランダムデータを生成するステップの後に、ランダムデータを格納するステップが続いても良い。

上記の第１態様による方法を実行するように構成した手段を備えたＲＦＩＤタグもまた提供される。

本発明の第２態様によれば、ＲＦＩＤタグと通信するＲＦＩＤリーダによる情報の書き込みを制御する方法が提供される。この方法は、ＲＦＩＤリーダにおいて実行されるものであり、次のステップから成る。
- 書き込み要求を送信するステップ
- ランダムデータを受信するステップ
そして、
- ランダムデータにより暗号化された情報を送信するステップ

この本発明の第２態様によれば、ランダムデータを受信するステップの後に、ランダムデータを用いて情報を暗号化するステップが続き、これらのステップは、ＲＦＩＤタグ情報の読み出し要求の送信およびＲＦＩＤタグ情報の受信の後に行うことができる。暗号化された情報を送信するステップはまた、ＲＦＩＤタグのメモリに情報を書き込むことを含むことができ、また、ランダムデータは、言い換えれば、ワンタイムパッド方式にすることができる。

上記の第２態様による方法を実行するように構成した手段を備えたＲＦＩＤリーダもまた提供される。

本発明の第３態様によれば、ＲＦＩＤタグと通信するＲＦＩＤリーダから成るＲＦＩＤシステムのための通信方法が提供される。この方法は、次のステップを含む。
- ＲＦＩＤリーダからＲＦＩＤタグへ書き込み要求を送信するステップ
- ＲＦＩＤタグによりランダムデータを生成するステップ
- ＲＦＩＤタグからＲＦＩＤリーダへランダムデータを送信するステップ
- ランダムデータを用いて情報を暗号化するステップ
- ＲＦＩＤリーダからＲＦＩＤタグへ暗号化された情報を送信するステップ
- ランダムデータを用いてＲＦＩＤタグにより情報を復号化するステップ
- ＲＦＩＤによりＲＦＩＤタグメモリ上へ復号化された情報を格納するステップ

この第３態様によれば、ランダムデータは、言い換えれば、ワンタイムパッド方式にすることができ、また、ランダムデータは、熱抵抗ノイズ、熱ショットノイズ、大気雑音および原子核崩壊のいずれかを測定することから導き出すこともできる。さらに、ランダムデータおよび復号化された情報は、同一の長を有し、それによって、ワンタイムパッドの特性を満たすものとし得る。

本発明の第３態様による方法は、情報を復号化するステップを有し、その後にランダムデータをＲＦＩＤタグによって上書きするか削除するステップを続けることができ、第３態様によるこれらのステップは、ＲＦＩＤリーダからＲＦＩＤタグへ書き込み要求を送信するステップおよびＲＦＩＤタグからＲＦＩＤリーダへＲＦＩＤタグ情報を送信するステップの後に行うことができる。ランダムデータを生成するステップの後に、ＲＦＩＤタグによりＲＦＩＤタグのメモリにランダムデータを格納するステップを続けることもできる。

上記に従うＲＦＩＤタグと通信する上記に従うＲＦＩＤリーダを含むＲＦＩＤシステムもまた提供される。

本発明は、ＲＦＩＤ通信が非常に非対称である特徴を利用する。すなわち、リーダからタグへの通信は、タグとリーダの通信距離よりもかなり離れた距離から盗聴されるおそれがある。従って、安全性を増すためには、盗聴に対してＲＦＩＤ通信の半分のみ、特に安全でない半分、すなわちリーダからタグへの通信を、保護すれば十分と考えられる。

タグからリーダへの通信チャネルは、依然本質的に安全であると考えられる。それは、このチャネル上を送信されるメッセージを盗聴するには高い近接性が要求されるからである。本発明はこの特徴を利用するものであって、比較的安全なタグからリーダへのチャネルを、比較的安全ではないリーダからタグへのチャネルの保護のために使用する。

好ましい実施態様において、リーダがタグからの情報を読み込むとき、情報は通常通りタグによって送信される。しかしながら、リーダが情報を書き込まなければならないときは、タグが最初にランダムデータを生成する。望ましくは、このランダムデータは、その後リーダに安全なチャネルを通じて送信される。そして、リーダはタグに書き込もうとする情報を暗号化するためにこのランダムデータを使用する。

この後に、暗号化されたデータは、タグの方へ向けて安全ではないチャネル上を送信される。タグは通常は、生成したランダムデータをメモリに格納し、これを、リーダから受信した情報の復号化のために使用する。このように、最初の情報は、タグに書き込まれる。しかしながら、攻撃者がリーダからタグへの通信チャネルを妨害する場合でも、その者は、どのランダムデータがタグに書き込まれる情報を符号化するために用いられたかについて知らず、したがって、その攻撃者がリーダからタグへのチャネル上にメッセージを送信するとき、タグにランダムなビットを書き込むことしかできない。

このように、特にＲＦＩＤタグを使用することで、安価な手段で、比較的安全な通信をすることができる。さらに、本発明による通信は、処理すべき暗号ハンドシェイクが無いので、完全に安全な通信チャネルを使用する場合に比べて、速くセットアップすることができ、暗号ハンドシェイクルーチンを実装する必要がないので、リーダ上のソフトウェア開発はより容易である。

ＲＦＩＤタグに乱数を発生させるための手段を実装するのは、周知の方法である。例えば、これは、公的に利用できるＩＮＴＥＬ（登録商標）社の乱数生成器設計を使用して行うことができる。この設計法は、同じ名前の論文に詳述されており、ウェブ・アドレスhttp://cnscenter.future.co.kr/resource/crypto/algorithm/random/criwp.pdfから取り出すことができる。

この論文は、参考のために本願明細書に引用している。３ページのブロック図は、関与するブロックと必要な機能を示している。乱数発生器は一般の雑音源を基礎としており、この雑音源は抵抗と増幅器とに基づき、その増幅器が第１発振器を刺激し、この第１発振器が少なくとも第２発振器によりサンプルされる。いくらかのデジタル的修正および統計的整形の後、結果として得られるビットストリームをランダムデータとして使用することができる。雑音源の白色雑音特性のため、生成されたデータは、事実上、本当にランダムであると考えられる。

望ましくは、本発明による通信方式は、米国特許１３１０７１９にて開示された、ワンタイムパッド方式（Ｖｅｒｎａｍ暗号）を組み込んだものである。この方式は、上述のＩＮＴＥＬ（登録商標）社の乱数発生器設計のように、パッドを生成するために、タグの中に真正のランダムデータ発生手段を使用することを必要とする。さらに、パッドは、タグからリーダへの通信チャネルのような、安全なチャネルで送信されなければならない。ワンタイムパッド方式のデータの符号化は、直接的であり、パッドを使用してデータにＸＯＲ（排他的ＯＲ）演算を実行するように、単純なものとすることができる。

以下に、添付図面を参照して、本願発明の実施形態を実施例により記載する。

図１は、本発明によるリーダ１０１およびタグ１０２の間のＲＦＩＤ通信を図式的に示す。情報Ｍ_１をタグ１０２から読み出す必要があるときは、リーダ１０１はタグ１０２に読み出し要求を送信する（１１０）。ＲＦＩＤタグ１０２は、通常の通り、すなわち、格納情報Ｍ_１を比較的安全なタグからリーダへのチャネルで直接送信することにより返答する（１１４）。破線部１１５は、任意の時間および／またはリーダ１０１およびタグ１０２の間の通信トラフィックを示す。

情報Ｍ_２をタグ１０２に書き込む必要があるときは（１２６）、リーダ１０１はタグ１０２に書き込み要求を送信する（１１６）。これに応答して、タグ１０２は、ワンタイムパッドＰを生成するランダムデータジェネレータ２０２を起動する。書き込み要求に応答して、このワンライムパッドＰが、タグメモリ１０３自身に、あるいは、タグ１０２内の専用メモリに格納され（１１８）、その後、比較的安全なチャネルでリーダ１０１へ送信される。リーダ１０１は、パッドＰを用いて、例えばＸＯＲ演算を実行することによって、書き込むべき情報Ｍ_２を符号化するように構成される。この符号化されたデータＥは、次に、比較的安全でないリーダからタグへのチャネルでＲＦＩＤタグ１０２へ送信される（１２４）。タグ１０２は格納されているパッドＰを使用して符号化されたデータＥを復号化し、元の情報Ｍ_２を得てタグメモリ１０３に書き込む（１２６）。

図１においては、メモリの全ての内容Ｍ_１およびＭ_２が読み出され、書き込まれるが、実際のアプリケーションにおいては、メモリ１０３の一部分またはセクタのみを読み出し、書き込むことができることは当然である。また、リーダ１０１がタグ１０２に開始アドレスと終了アドレスとを送信する、または、開始アドレスと送信すべきまたは記憶すべきバイト数とを送信すれば、読み出し、書き込みをするメモリの大きさを可変とすることもできる。タグメモリ１０３自体がパッドＰを格納するために用いられるときに、パッドＰを情報Ｍ_２が格納されるべきメモリセクション内に格納することができ、パッドＰが情報Ｍ_２によって上書きされ、このパッドＰが問題なく消去されるようにすることができる。

上述の方式では、タグ１０２は、最初にワンタイムパッドＰを生成して、メモリ１０３に書き込み（１１８）、その後、これをリーダ１０１に送信する（１２２）が、タグ１０２がどのパッドＰがリーダ１０１に送信されたかを覚えている限り、この順序には実際上制限はない。この方式において、第２のメッセージ（符号化されたデータＥ）が実際に意図されたリーダ１０１から来るという保証はない。しかし、意図したリーダ１０１の代わりに悪意のあるリーダがデータを送信した場合、攻撃者はパッドＰを知らないので、そのメッセージはタグのメモリ上でランダムなビットとなる。

この方式を更に改善するために、復号化されたメッセージを検証するために、メッセージにタグ１０２のためのメッセージ保全性メカニズムを付加することも可能と考えられる。ワンタイムパッド（Ｐ）の特性のために、ＣＲＣ−３２のような暗号としては安全ではないメッセージ保全性メカニズムでも十分である。代わりに、または加えて、リーダ１０１は、次にタグ１０２が読み出されるときに、タグの内容を検証することができる。

図２は、本発明によるタグ１０２の一実施例を示す。非接触型ＲＦＩＤタグ１０２で必要とされる主要ブロックのみを示している。特に、本発明は、ランダムデータを生成する真正ランダムジェネレータ（ＴＲＮＧ）２０２の存在に依存している。アナログＲＦインタフェースの接点パッドは、図に示されるＲＦアンテナ２０８に接続している。図２は、本発明によるＴＲＮＧ２０２の実装は示していない。例えばＩＮＴＥＬ（登録商標）社の乱数発生器のようにシリアルビットストリームを出力するアナログＲＮＧブロック２０２の他に、この実装は少なくとも1つのデジタルブロック２００を必要とする。デジタルブロック２００は、ＴＲＮＧ２０２から正しい量のランダムデータ（Ｐ）を取り出し、このランダムデータ（Ｐ）を、メモリインタフェース２０４を介して、ＲＡＭやフリップフロップのようなメモリ２０６上に書き込む。デジタルブロック２００は、ＲＦインタフェース２０８を経由して、リーダ１０１にもこのランダムデータ（Ｐ）を送信する。

図３は、ＲＦインタフェース３０２および制御ユニット３００を備えたＲＦＩＤリーダ１０１を示す。コントロールユニット３００は、ＲＦＩＤタグ１０２に格納すべき情報Ｍ_２を暗号化するか、あるいは、任意選択的に、暗号化を実行するバックデータ処理ユニットに接続することもできる。

要約すると、本発明は、フルスマートカードソリュージョンに比べはるかに安価な専用の電子機器を使用して、比較的安全でないリーダからＲＦＩＤタグへの通信を保護することを提案する。基本的に、ＲＦＩＤタグ１０２には、ランダムデータを生成する手段が設けられる。リーダ１０１が情報をタグ１０２に書き込もうとするときに、リーダ１０１は、先ず安全なタグからリーダへの通信チャネルを経由して、ランダムデータを読み出す。このデータは、タグ１０２に書き込まれるデータを暗号化するために用いられる。このように、暗号化されたデータは、安全ではないリーダからタグへのチャネルを介して送信され、その後、タグ１０２の中で復号化される。もし、安全ではないチャネルに対して攻撃が行われた場合、攻撃者はタグ１０２に意味のないデータを書き込むことができるだけである。

図１はＲＦＩＤシステムの通信の方法を示す線図である。 図２はＲＦＩＤタグの回路図である。 図３はＲＦＩＤリーダの回路図である。

Claims (19)

1. ＲＦＩＤリーダと通信するＲＦＩＤタグ内の記憶装置を制御するＲＦＩＤタグ記憶装置制御方法において、前記方法は前記ＲＦＩＤタグ内で実行され、
   書き込み要求を受信するステップと、
   ランダムデータを生成するステップと、
   前記ランダムデータを送信するステップと、
   暗号化された情報を受信するステップと、
   前記ランダムデータを用いて受信した前記情報を復号化するステップと、
   復号化された前記情報を格納するステップと
   を含むことを特徴とするＲＦＩＤタグ記憶装置制御方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記ランダムデータを生成するステップの後に、ランダムデータを格納するステップを含むことを特徴とするＲＦＩＤタグ記憶装置制御方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、前記ランダムデータは、熱抵抗ノイズ、熱ショットノイズ、大気雑音および原子核崩壊のいずれかを測定することにより導き出されることを特徴とするＲＦＩＤタグ記憶装置制御方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法において、前記ランダムデータおよび復号化された情報は、長さが同一であり、それによって、ワンタイムパッドの特性を満たすことを特徴とするＲＦＩＤタグ記憶装置制御方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法において、前記受信した情報を復号化するステップの後に、前記ランダムデータを上書きするかまたは削除するステップを含むことを特徴とするＲＦＩＤタグ記憶装置制御方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法において、前記全てのステップの前に、
   読み出し要求を受信するステップと、
   ＲＦＩＤタグ情報を送信するステップと
   を含むことを特徴とするＲＦＩＤタグ記憶装置制御方法。
7. 情報の格納およびＲＦＩＤリーダとの通信を行うＲＦＩＤタグにおいて、前記ＲＦＩＤタグは
   書き込み要求を受信するための手段と、
   ランダムデータを生成するための手段と、
   前記ランダムデータを送信するための手段と、
   暗号化された情報を受信するための手段と、
   前記ランダムデータを使用して受信した情報を復号化するための手段と、
   前記復号化した情報を格納するための手段と
   を備えたことを特徴とするＲＦＩＤタグ。
8. ＲＦＩＤタグと通信するＲＦＩＤリーダによる情報の書き込みを制御するＲＦＩＤリーダの制御方法において、前記方法はＲＦＩＤリーダにおいて実行され、
   書き込み要求を送信するステップと、
   ランダムデータを受信するステップと、
   前記ランダムデータにより暗号化された情報を送信するステップと
   を含むことを特徴とするＲＦＩＤリーダの制御方法。
9. 請求項８に記載の方法において、前記ランダムデータを受信するステップの後に、前記ランダムデータを使用して情報を暗号化するステップを含むことを特徴とするＲＦＩＤリーダ制御方法。
10. 請求項８または９に記載の方法において、前記全てのステップの前に
    読み出し要求を送信するステップと、
    ＲＦＩＤタグ情報を受信するステップと
    を含むことを特徴とするＲＦＩＤリーダ制御方法。
11. 請求項８〜１０のいずれか１項に記載の方法において、前記暗号化された情報を送信するステップは、ＲＦＩＤタグのメモリに情報を書き込むステップを含むことを特徴とするＲＦＩＤリーダ制御方法。
12. ＲＦＩＤタグへの情報の書き込みを制御するためのＲＦＩＤリーダにおいて、前記ＲＦＩＤリーダは、
    書き込み要求を送信するための手段と、
    ランダムデータを受信するための手段と、
    前記ランダムデータにより暗号化された情報を送信する手段と
    を備えたことを特徴とするＲＦＩＤリーダ。
13. ＲＦＩＤタグと通信するＲＦＩＤリーダを含むＲＦＩＤシステムのためのＲＦＩＤ通信方法において、前記方法は、
    前記ＲＦＩＤリーダから前記ＲＦＩＤタグへ書き込み要求を送信するステップと、
    前記ＲＦＩＤタグによりランダムデータを生成するステップと、
    前記ＲＦＩＤタグから前記ＲＦＩＤリーダへ前記ランダムデータを送信するステップと、
    前記ランダムデータを用いて情報を暗号化するステップと、
    前記ＲＦＩＤリーダから前記ＲＦＩＤタグへ暗号化された前記情報を送信するステップと、
    前記ランダムデータを使用して、前記ＲＦＩＤタグにより暗号化された前記情報を復号化するステップと、
    暗号化された前記情報を前記ＲＦＩＤタグにより前記ＲＦＩＤタグのメモリ上に格納するステップと
    を含むことを特徴とするＲＦＩＤ通信方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、前記ランダムデータを生成するステップの後に、前記ＲＦＩＤタグのメモリ上に前記ＲＦＩＤタグにより前記ランダムデータを格納するステップを含むことを特徴とするＲＦＩＤ通信方法。
15. 請求項１３または１４に記載の方法において、前記ランダムデータは、熱抵抗ノイズ、熱ショットノイズ、大気雑音および原子核崩壊のいずれかを測定することにより導かれることを特徴とするＲＦＩＤ通信方法。
16. 請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の方法において、前記ランダムデータおよび復号化された情報は長さが等しく、それによって、ワンタイムパッドの特性を満たすことを特徴とするＲＦＩＤ通信方法。
17. 請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法において、前記情報を暗号化するステップの後に、前記ＲＦＩＤにより前記ランダムデータを上書きするか削除するステップを含むことを特徴とするＲＦＩＤ通信方法。
18. 請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の方法において、前記全てのステップの前に、
    前記ＲＦＩＤリーダから前記ＲＦＩＤタグへ読み出し要求を送信するステップと、
    前記ＲＦＩＤタグから前記ＲＦＩＤリーダへＲＦＩＤタグ情報を送信するステップと、
    を含むことを特徴とするＲＦＩＤ通信方法。
19. 請求項７に記載のＲＦＩＤタグと通信する請求項１２に記載のＲＦＩＤリーダを備えたＲＦＩＤシステム。

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