《電子技術(shù)應(yīng)用》
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ECC結(jié)合輕量級Hash函數(shù)的RFID系統(tǒng)安全認證方案
電子技術(shù)應(yīng)用2015年第8期
黎遠松1，王建璽2,，梁金明1,，劉小芳1
1.四川理工學(xué)院 計算機學(xué)院,，四川 自貢643000；2.平頂山學(xué)院 軟件學(xué)院,，河南 平頂山467000
摘要： 針對植入式RFID系統(tǒng)的安全性和資源約束問題,，提出一種基于橢圓曲線密碼（ECC）和輕量級Hash函數(shù)的雙向認證方案。在標(biāo)簽與閱讀器之間進行通信時,，首先利用橢圓曲線離散對數(shù)法對閱讀器身份進行認證和驗證,；然后使用Quark輕量級哈希算法的橢圓曲線數(shù)字簽名算法對標(biāo)簽身份進行認證和驗證，減少了密鑰和公鑰的數(shù)據(jù)量,，從而降低了計算量,。實驗結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)方案,，本文提出的認證方案能有效抵抗與植入式RFID系統(tǒng)相關(guān)的攻擊,，安全等級更高。此外,，該方案還降低了約48%的通信開銷和24%的內(nèi)存空間需求,。
中圖分類號： TP399
文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.030

中文引用格式： 黎遠松，王建璽,，梁金明,，等. ECC結(jié)合輕量級Hash函數(shù)的RFID系統(tǒng)安全認證方案[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015,，41(8)：106-109.
英文引用格式： Li Yuansong,，Wang Jianxi，Liang Jinming,，et al. A secure authentication scheme for RFID systems base on ECC and lightweight Hash[J].Application of Electronic Technique,，2015，41(8)：106-109.
A secure authentication scheme for RFID systems base on ECC and lightweight Hash
Li Yuansong1,，Wang Jianxi2,，Liang Jinming1，Liu Xiaofang1
1.School of Computer Science,，Sichuan University of Science & Engineering,，Zigong 643000，China,； 2.School of Software，Pingdingshan University,，Pingdingshan 467000,，China
Abstract： For the issues that the security and resource constraint of embedded RFID system, a mutual authentication scheme based on elliptic curve cryptography(ECC) is proposed. When communication between the tag and reader is happen, first, it use elliptic curve discrete logarithm method to make certification and verification of identity of the reader. Then, use the elliptic curve digital signature algorithm that base on Quark light weight hash algorithm for certification and verification of identity of the tag, to reduce the key and public key sizes, as well as reduce the amount of calculation. The experimental results show that compared with the traditional method, this scheme can effectively resist the attack of RFID implant system and provides a higher security level. At the same time, this scheme has 48% less communication overhead and requires 24% less total memory than the other approaches.
Key words : RFID system；implant,；mutual authentication scheme,；elliptic curve cryptography,；lightweight Hash

   

0 引言

    植入式射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)系統(tǒng)[1]是一種基于物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,，IoT)技術(shù)的醫(yī)療保健解決方案,，RFID可以植入人體內(nèi)，采集人體信息,，在緊急情況下能挽救病人的生命[2],。由于標(biāo)簽與閱讀器之間的通信信道存在風(fēng)險，且RFID系統(tǒng)是一種資源有限系統(tǒng),，因此,，植入式RFID系統(tǒng)需要一種魯棒、優(yōu)化和輕量級的安全框架來滿足安全等級要求和能量約束[3-4],。

    文獻[5]提出了一種基于橢圓曲線密碼(Elliptic Curve Cryptography,，ECC)的隨機密鑰機制，盡管該機制能有效抵抗與RFID系統(tǒng)相關(guān)的黑客攻擊,，但它仍然不能進行相互驗證,。文獻[6]提出了一種融合ID驗證傳輸協(xié)議和ECC的認證機制，該機制達到了RFID系統(tǒng)要求的安全級別,，但需要較大的標(biāo)簽認證計算時間和內(nèi)存需求,。

    基于上述算法存在的問題，本文提出了一種應(yīng)用于植入式FRID系統(tǒng)的基于ECC和輕量級Hash函數(shù)的雙向認證方案,。相比傳統(tǒng)方案,，本文方法具有較高的安全等級，且在通信開銷和內(nèi)存需求方面性能優(yōu)越,。

1 提出的雙向認證方案

    提出的認證方案由三個階段組成：(1)閱讀器身份認證和驗證階段,；(2)標(biāo)簽身份認證階段；(3)標(biāo)簽身份驗證階段,。在本文算法中,，假設(shè)閱讀器與后端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的信道是安全的，植入式RFID系統(tǒng)[7]的標(biāo)簽與閱讀器之間的通信信道不安全,。相關(guān)參數(shù)和數(shù)學(xué)符號如表1所示,。

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1.1 閱讀器身份認證和驗證

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    算法1 閱讀器身份認證和驗證的偽代碼

    輸入：(r1，R1)：閱讀器的私鑰和公鑰,。i1：閱讀器的計數(shù)器值

    輸出：確定閱讀器是否可信,？

    代碼

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1.2 標(biāo)簽身份認證

    Quark輕量級哈希算法依賴于非線性布爾函數(shù)和移位寄存器，其電路面積需求適合于植入式醫(yī)療設(shè)備[9,，10],。利用D-Quark輕量級哈希算法開發(fā)基于ECC的標(biāo)簽身份識別算法。

    在標(biāo)簽身份認證階段，根據(jù)s2和IDt計算初始機密點s1∈E(Fg),。為了生成第2個機密點,，標(biāo)簽計算s2=f(X(s1)).P。從第2個機密點獲取第1個機密點比較困難,，因為標(biāo)簽需要運行橢圓離散對數(shù)算法,。第2個密鑰由第1個密鑰產(chǎn)生，故本文算法具有前向安全性,。

    為了提高算法運行效率,，所選函數(shù)f必須對s2不會產(chǎn)生較大的漢明權(quán)重，保證在不影響安全性的前提下快速計算s2.P,。生成第2個密鑰后,，標(biāo)簽將選擇隨機整數(shù)k∈Zg且計算曲線坐標(biāo)點(x，y)=k.G,。標(biāo)簽首先計算d=x mod n,，然后將數(shù)字信號消息(d，c)發(fā)送給閱讀器,。若d=0,，標(biāo)簽重新選擇隨機數(shù)k∈Zg且計算下一個曲線坐標(biāo)點。標(biāo)簽計算IDt=Mb(X(s1))*Mb(X(s2)).P,，式中Mb將會輸出輸入值的一些中間比特位,。操作數(shù)*為非代數(shù)操作符∈Fg，作用于第一個機密點和第二個機密點,。然后,，標(biāo)簽計算c=k(hash(IDt))+X(s1).d)。如果c=0,，標(biāo)簽將選擇另一個整數(shù)k同時開始運行上述算法,。最后，標(biāo)簽將計算值(c,，d)和IDt并發(fā)送給閱讀器,。算法2描述了標(biāo)簽身份認證階段。

    算法2 標(biāo)簽身份認證偽代碼

    輸入：rs∈Zn：隨機整數(shù)（來自閱讀器信息）和hello請求,。s1：標(biāo)簽第一個機密點,。

    輸出：IDt：標(biāo)簽ID。(c,，d)：標(biāo)簽數(shù)字簽名,。

    代碼

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1.3 標(biāo)簽身份驗證

    在這個階段，為了驗證標(biāo)簽的可信性,，閱讀器選擇隨機整數(shù)rs∈Zn且計算其公鑰pr=rs.P,。對j∈[1，n-1]，閱讀器檢查是否d,，c∈Zn。若結(jié)果可信,，閱讀器計算h=Hash(IDt),，其中，Hash為Quark輕量級哈希函數(shù),，在上一階段,，哈希函數(shù)用于生成標(biāo)簽的數(shù)字簽名。一旦完成計算IDt的哈希函數(shù),，閱讀器選擇h值最左邊的比特位作為z值,。然后，閱讀器計算w,、u1,、u2，如算法3所示,。根據(jù)這些已經(jīng)計算出的值,，閱讀器計算曲線坐標(biāo)點(x，y)=u1.P+pr,。最后,，如果等式r=x mod n成立，則閱讀器會將標(biāo)簽的數(shù)字簽名作為標(biāo)簽可信性的標(biāo)志,。

    算法3 標(biāo)簽身份驗證偽代碼

    輸入：IDt：標(biāo)簽ID,。(c，d)：標(biāo)簽數(shù)字簽名,。

    輸出：驗證標(biāo)簽是否可信,？

    代碼

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2 性能評估

2.1 安全性分析

    雙向認證：在閱讀器認證階段，為了認證閱讀器是否合法,，標(biāo)簽計算等式wl3-2.1-x1.gif是否成立,。相反，為了認證標(biāo)簽是否可信（基于標(biāo)簽傳輸?shù)腎Dr和數(shù)字簽名消息）,，閱讀器檢查等式r=x mod n是否成立,。這就是本文算法中的雙向認證過程。

    可用性：在本文算法中,，一旦完成雙向認證,，標(biāo)簽和閱讀器將改變它們的機密點s1，s2,，s3,，因此，攻擊者不可能實現(xiàn)拒絕服務(wù)攻擊。

    前向安全：在本文算法中,，如果攻擊者試圖根據(jù)已經(jīng)竊聽的信息進行偽裝,，例如標(biāo)簽的第2個密鑰s2，攻擊者將不可能從竊聽的信息獲取任何有用信息,。從第2個密鑰獲取第1個密鑰需要解決ECDSA問題,，然而該問題不易求解。

    非法跟蹤標(biāo)簽：本文算法的公共信息僅關(guān)心標(biāo)簽的ID,。在標(biāo)簽身份認證階段,，通過非代數(shù)操作標(biāo)簽的第1個密鑰和第2個密鑰的橫坐標(biāo)的中間比特位來生成ID值。因此,，從現(xiàn)有的ID獲取標(biāo)簽的密鑰是不可能的,。主要原因是獲取密鑰意味著需要計算橢圓曲線離散對數(shù)算法。因為求解離散對數(shù)問題與整數(shù)分解問題一樣困難,，因此該問題很難求解,。

    竊聽攻擊：攻擊者很難完成該計算過程，因為需要求解離散對數(shù)問題,，離散對數(shù)問題在計算上是不可行的,。與上面原理相似，在閱讀器認證階段,，盡管攻擊者能獲取R1或R2或r3,，但不能很容易獲取與閱讀器相關(guān)的其他安全信息?；谏厦娴挠懻?，攻擊者也不能完成任何重放攻擊。

    偽裝攻擊可考慮兩種不同場景：

    （1）偽裝成閱讀器：如果攻擊者嘗試偽裝成閱讀器,，它將會失敗,。因為如果攻擊者要嘗試偽裝成虛假閱讀器，它必須計算R1且同時嘗試計算r2（不容易計算）,。然而,，沒有閱讀器的計算值R3=r1.IDt+r3s1，攻擊者（虛假閱讀器）將不可能計算出wl3-2.1-x2.gif來使自己可信,。

    （2）偽裝成標(biāo)簽：為了偽裝成標(biāo)簽,，如前面所述，攻擊者需要訪問標(biāo)簽的密鑰s1s2,，然而不能從IDt的公共信息獲取密鑰,。

    基于以上討論證明，本文算法能安全抵抗植入式RFID系統(tǒng)的攻擊,。表2顯示了本文算法與其他幾種基于ECC算法的安全性比較結(jié)果,?！癥ES”表示能安全抵抗上面提到的攻擊?！癗O”表示不能安全抵抗攻擊,。從安全性角度來看，盡管本文算法的安全特性與文獻[6]相似,，但后文將表明本文在計算和通信開銷上的優(yōu)越性,。

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2.2 計算開銷分析

    可植入標(biāo)簽的資源有限性限制了植入式RFID系統(tǒng)的性能，因此,，認證算法需要保證負載較小。根據(jù)計算成本,、內(nèi)存需求和通信開銷標(biāo)準(zhǔn)來分析算法的計算性能,。

    使用標(biāo)準(zhǔn)163比特橢圓曲線域參數(shù)加密算法，這些參數(shù)定義在有限比特位域F(2163),。利用ECDSA算法的坐標(biāo)系（x,，y），在F(2m)域的橢圓曲線參數(shù)通過多元組T=(m,，f(x),，a，b,，G,，n，h)定義,，其中m=163且通過f(x)=x163+x7+x6+x3+111定義F(2163),。文獻[11]根據(jù)橢圓曲線的163比特位的純量乘法計算算法運行時間，即SHA-1哈希函數(shù)和高級加密標(biāo)準(zhǔn)算法（AES）,。根據(jù)實驗結(jié)果,，在5 MHz頻率時，163比特位橢圓曲線純量相乘需要的計算時間為64 ms,。在低頻時,，例如323 kHz，完成163比特位橢圓曲線純量相乘的計算時間為243 ms,，與64 ms相比,，時間太長。因此,，本文在5 MHz頻率下計算本文算法的運行時間,。

    標(biāo)簽的內(nèi)存需求包括公鑰和私鑰內(nèi)存需求，私鑰表示標(biāo)簽的密鑰s1,，s2且公鑰表示標(biāo)簽的公鑰IDt,。在本文算法中,，系統(tǒng)內(nèi)存需求由(IDt，s1,，s2)組成,，其中IDt需要163比特位內(nèi)存，s1和s2總共需要326比特位內(nèi)存,。因此,，總內(nèi)存為：62 byte=163 bit+326 bit。表3顯示了本文算法與其他算法的性能比較結(jié)果,。

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    本文標(biāo)簽身份識別算法的計算成本包括三個標(biāo)量點的計算且計算時間為：64 ms×3=192 ms,。因此，本文標(biāo)簽身份識別算法需要192 ms完成標(biāo)量點相乘,。從表3可以看出,，當(dāng)ECC點乘數(shù)量增加時，它將直接影響完成該運算所需的時間,。因此,，在實時系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要考慮成功實現(xiàn)認證所需時間的問題,。

    為了計算標(biāo)簽認證階段中,，標(biāo)簽與閱讀器之間的通信開銷，本文計算基于標(biāo)簽與閱讀器之間通信消息IDt,，(d,，c)的通信開銷，這里,，通信開銷為41 B,，計算式為：(163×2/8=326/8≈41 B)。

    將本文算法與其他算法的通信開銷進行比較,，結(jié)果表明,，本文算法成功減少了48%的通信開銷。在總體內(nèi)存消耗方面,，本文算法降低了24%的內(nèi)存消耗,。與文獻[6]相比，本文算法減少了39%的內(nèi)存消耗,，計算時間減少了60%,。然而，與文獻[4]相比,，計算時間增加了50%,。

3 結(jié)語

    針對植入式RFID系統(tǒng)存在的問題，本文提出了一種基于橢圓曲線密碼（ECC）和輕量級Hash函數(shù)的安全雙向認證方案,。提出的方案依賴于橢圓曲線加密算法,，比傳統(tǒng)加密算法所需較少的密鑰和公鑰的數(shù)據(jù)量,，且計算量也較小。實驗表明,，本文算法能夠抵抗相關(guān)攻擊,，安全等級高。另外,，與傳統(tǒng)算法相比,，本文認證機制通信開銷降低了48%，內(nèi)存需求降低了24%～39%,。

    未來工作中,，將進一步研究本文算法，使其能夠廣泛應(yīng)用于IoT系統(tǒng),。

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