趙太飛,，鄒波,，尹航

　　（西安理工大學 自動化與信息工程學院,，陜西 西安 710048）

       摘要：為了提高大規(guī)模RFID系統(tǒng)的認證效率,，通過分析現(xiàn)有RFID系統(tǒng)的認證效率和安全性,，提出了一套基于Hash函數(shù)的改進協(xié)議。向RFID讀寫器加入過濾規(guī)則,，能夠有效過濾惡意和無效的認證請求,；對標簽的訪問計數(shù)器值的分層化、更新和重置,，可以有效提高后端數(shù)據(jù)庫檢索數(shù)據(jù)的命中率,。通過分析和測試，該協(xié)議能夠有效抵御假冒攻擊,、重傳攻擊等不安全問題,，有效提高RFID認證的效率，降低認證服務器計算負荷,。

　　關鍵詞：RFID,；認證協(xié)議；訪問計數(shù)器,；Hash,；讀寫器

0引言

　　射頻識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸式的自動識別技術,。RFID系統(tǒng)通過射頻信號來識別目標對象,，可工作在各種惡劣的環(huán)境下，且使裝備該標簽的設備變得智能,，可以實現(xiàn)與信息系統(tǒng)進行實時交流,。RFID技術的應用遍及各個領域，例如商品溯源,、移動支付,、供應鏈溯源、門禁系統(tǒng)等,。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展和RFID的大規(guī)模使用,，如何在保證RFID系統(tǒng)安全性的前提下，提高RFID系統(tǒng)的認證效率,，成為影響RFID大規(guī)模推廣應用的技術難點,。

1相關研究

　　近年來，RFID安全問題成為研究熱點之一,，由于RFID標簽自身資源的限制,，在設計RFID標簽認證協(xié)議時，除了考慮安全性,，還要考慮標簽自身存儲空間和運算能力限制的問題。

　　為了提高RFID安全性,，目前一般采用兩種手段：物理方式和密碼學方式,。物理方式需要額外的設備支持,，增加了成本，同時使用會造成一定的不便,，所以密碼學是提高RFID安全性的主流方式,。

　　近年來密碼學中有眾多的加密技術，主要包括AES,、DES,、基于Hash函數(shù)的加密算法等。AES,、DES等加密方式因資源消耗大,，受RFID標簽自身資源的限制，較少被使用,，而基于Hash函數(shù)的安全機制資源消耗相對較低,，因此基于Hash函數(shù)的認證協(xié)議受到越來越多的關注。NTT實驗室提出了Hash鏈方法［1］,，它是一種采用共享秘密的詢問—應答協(xié)議,，具有不可分辨性和前向安全性，但該協(xié)議只能進行單向認證,，安全性上存在一定缺陷,，后臺數(shù)據(jù)檢索計算量大；袁署光［2］等人提出一種基于Hash函數(shù)的認證協(xié)議,，其利用對稱秘鑰方式,，能夠抵御重傳攻擊、假冒攻擊等,，但該協(xié)議服務器運算量巨大,，數(shù)據(jù)庫檢索命中率低；劉明生［3］等人提了的基于Hash函數(shù)的RFID安全認證協(xié)議,，協(xié)議中傳遞標簽ID的Hash值為靜態(tài)的,，能有效降低后端數(shù)據(jù)庫檢索數(shù)據(jù)的計算量，但不能提高檢索的命中率,，并且存在被跟蹤的風險,。

2安全問題分析

　　RFID系統(tǒng)面臨的安全問題［4］主要包括：(1)假冒攻擊(spoofing attack)，通過使用假冒讀寫器來記錄標簽的響應,，再用該響應去響應合法的讀寫器,，讓合法的讀寫器認為該標簽還存在，通過RFID的認證,，事實上該標簽已經(jīng)離去,；(2)重傳攻擊(replay attack)，是通過截取標簽和讀寫器之間通信的有效信號,，再在RFID系統(tǒng)中進行重傳而對系統(tǒng)進行的一種攻擊,；(3)去同步化(desynchronization),，指通過對標簽進行惡意認證或者攻擊，導致后端數(shù)據(jù)與標簽中存儲的信息不一致,，進而導致標簽無法認證的一種攻擊,。

3認證方案

　　參考文獻［5］通過標簽訪問計數(shù)器值的自更新特性與密值，結合Hash函數(shù)進行RFID認證,，雖然能夠抵抗標簽偽裝等攻擊,，但是該協(xié)議標簽數(shù)量較大，若干標簽存在惡意認證時,，根據(jù)k值來檢索數(shù)據(jù)庫中標簽記錄,，將導致檢索范圍過大，標簽記錄命中率降低,，而數(shù)據(jù)庫的每次數(shù)據(jù)比對都會進行一定量的Hash計算,，這會導致服務器耗費大量的時間和資源來進行運算，進而導致這個RFID系統(tǒng)效率低下,。

　　針對參考文獻［5］協(xié)議做如下改進：對k值進行分層化處理,，可以有效提高數(shù)據(jù)庫標簽記錄檢索的命中率；認證請求中使用RFID讀寫器產(chǎn)生隨機數(shù),，將標簽響應中推算出的隨機數(shù)與該隨機數(shù)進行比較,，過濾無效的認證會話；RFID讀寫器保存上一次認證會話中接收的標簽響應,，RFID讀寫器接收到的標簽響應與上次會話中使用的標簽響應進行比較,，如果相同就過濾該認證會話（標簽在每次認證會話中會更新認證響應），提高認證請求的有效性,，減少服務器的運行壓力,。有關協(xié)議中的參數(shù)如表1所示。

　　預備：對每個標簽的k值的范圍進行分層化處理,，例如0~999,1 000~9 999,，將k置為所在分層的最小值。當k為所在分層區(qū)間k的最大值時,，k+1將重置k的值為該分層區(qū)間的最小值,，同時置f的值為“1”，每個標簽配置一個初始密值S,，為RFID系統(tǒng)篩選兩個碰撞和復雜度都較低的Hash函數(shù),，將標簽k、ID,、S存儲到數(shù)據(jù)庫,。

　　步驟（1）：RFID讀寫器產(chǎn)生一個隨機數(shù)rR，向標簽發(fā)送Query、rR認證請求,。

　　步驟(2)：標簽接收到RFID讀寫器發(fā)送的認證請求后,，將k值與隨機數(shù)rR相加得到rk，然后標簽讀取存儲器數(shù)據(jù),，計算G(IDrk),G(S),然后向RFID讀寫器發(fā)送k、rk,、G(IDrk),、G(S)以及標志位f；同時更新S=H(S),，更新k=k+1,，當k為所在分層的最大值時，k+1將重置k的值為該分層的最小值,，同時置f的值為“1”,，否則f值不更新。

　　步驟(3)：RFID讀寫器接收到來自標簽的信息后,，先通過rk和k計算出隨機數(shù)rR′,，比較該rR′是否與剛發(fā)出的rR一致，如果不一致,，則該數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù),，直接丟棄；如果一致則進一步判斷G(IDrk)和G(S),。比較與該閱讀器上次認證時保留的G(ID′rk′)和G(S′)是否一致,，如果一致則為無效數(shù)據(jù)，直接丟棄,；如果不一致,，則將數(shù)據(jù)k、rk,、G(IDrk),、G(S)以及標志位f發(fā)送到后端數(shù)據(jù)庫。

　　步驟(4)：后端服務器接收到RFID讀寫器傳遞的數(shù)據(jù)后,，先判斷k值的范圍區(qū)間,，確定該標簽在哪個分層，然后判斷f值是否為“1”,，如果是轉(zhuǎn)入①,，否則轉(zhuǎn)入②。

　?、僭跀?shù)據(jù)庫中找到該分層的所有標簽數(shù)據(jù)記錄,，檢查該記錄中是否還有沒有對比的記錄，如果有轉(zhuǎn)入③；否則,，標簽不合法,，停止認證。

　?、谠跀?shù)據(jù)庫中找到該分層的標簽數(shù)據(jù)記錄,，在此記錄中檢查是否還有符合k″≤k沒有對比的記錄，如果有轉(zhuǎn)入④,；否則,，標簽不合法，停止認證,。

　?、圩x取一條還沒有對比的標簽數(shù)據(jù)記錄的ID″，計算G(ID″rk),，再與G(IDrk)比較,，如果相等，則轉(zhuǎn)入⑤,，否則轉(zhuǎn)入①,。

　　④讀取一條k″≤k且還沒有對比的標簽數(shù)據(jù)記錄的ID″,，計算G(ID″rk),，再與G(IDrk)比較，如果相等,，則轉(zhuǎn)入⑥,，否則轉(zhuǎn)入②。

　?、荼容^k與k″的大小,，如果k與k″相等則取d=0，否則取d=k+l-k″,；然后比較G(Hd(S″))與G(S),，如果相等，則轉(zhuǎn)入⑦,，否則轉(zhuǎn)入①,。

　　⑥計算d=k-k″,，然后比較G(Hd(S″))與G(S),，如果相等，則轉(zhuǎn)入⑦,，否則轉(zhuǎn)入②,。

　?、吆蠖藬?shù)據(jù)庫更新當前標簽記錄的訪問計數(shù)器k″=k+1和密值S″=Hd+1(S″)，如果k為該區(qū)間的最大值,，則k″置為該區(qū)間的最小值,，然后計算G(ID″S″)發(fā)送給標簽。

　　步驟（5）：閱讀器將后端服務器發(fā)送來的G(ID″S(k″))轉(zhuǎn)發(fā)給標簽,。

　　步驟（6）：標簽從存儲器中獲取ID與密值S,，計算G(IDS)與G(ID″S″)是否相等，如果相等則認證成功,，同時將標志位f置為“0”,，否則認證失敗。

　　協(xié)議認證過程如圖1所示,。

4協(xié)議安全性分析

　　RFID系統(tǒng)面臨的主要安全問題［6］有：假冒攻擊、重傳攻擊,、追蹤,、去同步化。這里定義讀寫器向標簽傳遞信息的無線信道為前向信道,，標簽向讀寫器傳遞信息的無線信道為后向信道［7］,，對協(xié)議進行安全性分析。

　　4.1假冒攻擊

　　攻擊者使用偽裝的讀寫器通過前向信道向標簽發(fā)送Query和rR認證請求,，獲取到標簽的響應k,、rR、f,、G(IDrk),、G(S)；再在下一次與合法讀寫器進行認證時,，讀寫器發(fā)送Query和rR認證請求,，攻擊者通過后向信道使用上次截獲的k、rk,、f,、G(IDrk)、G(S)來響應讀寫器,，然而由于讀寫器每次發(fā)送的rR都是一個隨機產(chǎn)生的隨機數(shù),，所以前后兩次的隨機數(shù)rR和rk-k不一致，無法進行假冒攻擊,。

　　4.2重傳攻擊

　　在讀寫器向標簽發(fā)送Query和rR認證請求之后,，攻擊者獲取到k、rk,、f,、G(IDrk),、G(S)；在以后的認證會話中,，攻擊者通過后向信道響應k,、rk、f,、G(IDrk),、G(S)，從而發(fā)動重傳攻擊,；在讀寫器接收到k,、rk、f,、G(IDrk),、G(S)過后，進行一次過濾處理,，與上一次接收到的G(ID″rk′),、G(S′)進行比較，看數(shù)據(jù)內(nèi)容是否相同,，如果相同,，則直接丟棄該數(shù)據(jù)，然后再判決rk-k和rR的值是否一致,，因為前后兩次認證過程中讀寫器生成的rR不同,，由此可見該協(xié)議對重傳攻擊具有安全性。

　　4.3追蹤

　　攻擊者使用偽裝的讀寫器向標簽發(fā)送認證請求,，獲取到標簽的響應k,、rk、f,、G(IDrk),、G(S)，然后通過該響應來追蹤該標簽,；由于每次發(fā)起認證請求時,，讀寫器都會重新產(chǎn)生一個隨機數(shù)用于認證，并且標簽自生的k,、S(k)也是不斷變化的,，所以rk也會不斷變化，f值只能是“0”或“1”無法實現(xiàn)追蹤,，因此該標簽的響應是不斷變化的,，所以該協(xié)議能夠很好地抵制追蹤攻擊。

　　4.4去同步化

　　認證過程中,，因為采用的是無線信道,，故有可能造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G失,，或人為對標簽進行惡意攻擊，然后導致標簽的數(shù)據(jù)與后端數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)不一致,，使標簽無效化,，無法完成認證操作。后端數(shù)據(jù)庫可以根據(jù)k值和f值來確保標簽密值的成功匹配,，每次成功認證過后,，后端數(shù)據(jù)庫也會根據(jù)標簽傳來的信息，更新后端數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù),。

5協(xié)議效率分析

　　本協(xié)議對Hash鏈的RFID安全雙向認證協(xié)議［5］做了改進,，進一步提高了后端數(shù)據(jù)庫檢索的效率，讀寫器端增加過濾功能,，能夠有效地攔截惡意的認證請求,，很好地減少服務器資源的浪費。

　　通過k值的分層化處理可以有效地縮小數(shù)據(jù)檢索的范圍,，快速定位到需要檢索的k值的數(shù)值范圍,，從而確定待檢索的數(shù)據(jù)記錄所在的k值分層；再根據(jù)k值進一步縮小檢索數(shù)據(jù)記錄的范圍,，因為在f為“0”時，被檢索記錄的k″必須滿足k″≤k,。

　　標志位“f”的作用主要是為了處理k值在完成多次認證過后導致k值越界,，導致標簽去同步化，無法進行認證,。

　　在認證會話中,，讀寫器不是將標簽響應的數(shù)據(jù)進行一個簡單的數(shù)據(jù)傳遞，讓服務器進行數(shù)據(jù)的處理,；而是對標簽響應的數(shù)據(jù)進行了一個數(shù)據(jù)過濾,，能夠有效地過濾無效認證會話和惡意認證，降低服務器的運行負荷,，避免不必要的服務器資源浪費,。

6性能分析

　　本文使用MATLAB對文獻［5］提出的基于Hash鏈的RFID安全雙向認證協(xié)議與本文改進的協(xié)議進行了仿真測試，對比了后端服務器在比較次數(shù),、哈希運算次數(shù)的差別,。本文提出的改進協(xié)議細節(jié)上與文獻［5］有些不同,有的特性未在測試數(shù)據(jù)上很好地體現(xiàn)出來，例如標簽閱讀器的過濾功能,，可以過濾一部分無效的認證請求,，降低后端服務器的運行負荷。

　　將參考文獻［5］測試組命名為A組,，本文改進協(xié)議分成3組進行測試,，分別命名為B組,、C組和D組。測試中先去除標簽閱讀器的過濾功能,。假定A組中一共有2 000個標簽,，后端服務器也有2 000條對應的標簽數(shù)據(jù)，并且每個標簽和服務器之間已發(fā)生不超過50次的隨機訪問會話,，同時標簽數(shù)據(jù)與后端服務器同步,，再隨機抽取200個標簽發(fā)生隨機次數(shù)(不超過20次)的惡意訪問，造成標簽數(shù)據(jù)與后端數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的不同步,，然后隨機發(fā)起2 000 000次的訪問會話,。B組分為a1、b1分層,，C組分為a2,、b2、c2分層,，D組分為a3,、b3、c3,、d3分層,，每個分層的標簽數(shù)、k值范圍以及發(fā)生隨機惡意訪問(不超過20次)的標簽數(shù)具體信息如圖2所示,。首先每個分層的每個標簽與服務器之間發(fā)生不超過50次的隨機訪問會話,，同時標簽數(shù)據(jù)與后端服務器是同步的，再隨機抽取表2中所述的標簽個數(shù)發(fā)生隨機次數(shù)(不超過20次)的惡意訪問,，造成標簽數(shù)據(jù)與后端數(shù)據(jù)庫的不同步,，最后以組為單位，每組隨機發(fā)起2 000 000次的訪問會話,，統(tǒng)計以上A,、B、C,、D四組數(shù)據(jù)可以得到表3測試數(shù)據(jù),。

　　本文協(xié)議對標簽k進行分層處理后，分為多個組,，根據(jù)以上測試結果可以得出,，相比參考文獻［5］，本文協(xié)議能有效地減少后端服務器的運算次數(shù),，其次k值分層處理的分層數(shù)越多,，后端服務器的運算次數(shù)越少。

7結束語

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展,，RFID系統(tǒng)被廣泛使用,，但RFID安全問題和認證效率問題成為制約RFID系統(tǒng)廣泛使用的關鍵,。由于RFID標簽自身的局限性，采用密碼學的RFID安全認證協(xié)議成為提高認證效率和解決RFID安全性問題的重要方法,。本文提出了一種基于Hash鏈的改進協(xié)議,，能有效地抵抗假冒攻擊、重傳攻擊,、追蹤和去同步化,，利用訪問計數(shù)器值的分層特性及自更新和重置特點，提高了數(shù)據(jù)庫中標簽數(shù)據(jù)的命中率,，通過標簽閱讀器的過濾功能,，有效地過濾無效的認證請求，從而降低了RFID認證時后臺服務器的資源消耗,，有效提高系統(tǒng)的認證效率,。

　　參考文獻

　　［1］ OHKUBO M,， SUZUKI K,，KINOSHITA S． Hash chain based forwardsecure privacy protection scheme for low cost RFID［C］. Proceedings of the 2004 Symposium on Cryptography and Information Security， Berlin: SpringerVerlag,， 2004: 719-724．

　?。?］ 袁署光,戴宏躍,賴聲禮，等.基于Hash函數(shù)的RFID認證協(xié)議［J］.計算機工程,2008,34(12):141-143.

　?。?］ 劉明生,王艷,趙新生,，等.基于Hash函數(shù)的RFID安全認證協(xié)議的研究［J］.傳感技術學報,2011,24(9):1317-1321.

　　［4］ 丁振華,李錦濤,馮波,，等.基于Hash函數(shù)的RFID安全認證協(xié)議研究［J］.計算機研究與發(fā)展, 2009,46(4):583-592.

　　［5］ 裴小強,衛(wèi)宏儒.基于Hash鏈的RFID安全雙向認證協(xié)議［J］.計算機應用,2014,34(z1):47-49,54.

　?。?］ 高樹靜.低成本無源RFID安全關鍵技術研究［D］.濟南：山東大學,2013.

　?。?］ 周永彬,馮登國.RFID安全協(xié)議的設計與分析［J］.計算機學報,2006,29(4):581-589.