基于RBAC的RFID安全認證協(xié)議＊

王桂超，王 彥，李永珍

（延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林延吉133002）

1 引言

無線射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是一種通過無線廣播進行非接觸式雙向通信的自動識別技術(shù)［1］。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)重要組成部分的RFID技術(shù)也得到空前的發(fā)展。由于其方便、快捷，因此被廣泛應(yīng)用于停車場、門禁、物流、家居等生活的各個方面。但是，由于RFID系統(tǒng)的特殊性，其信息通過無線傳輸，并且無法利用傳統(tǒng)加密技術(shù)來加密，導(dǎo)致用戶信息很容易泄露，因此其安全隱私問題也越來越受到人們的關(guān)注。

為了保證用戶信息的安全性，已經(jīng)有很多安全協(xié)議被提出，如基于Hash函數(shù)的安全協(xié)議、基于傳統(tǒng)加密技術(shù)的安全協(xié)議、基于位運算的安全協(xié)議等。雖然這些協(xié)議在一定程度上解決了RFID安全問題，但是都沒有考慮到非授權(quán)標簽信息的泄漏問題。

為了彌補這些安全協(xié)議的缺陷，本文提出了一種基于角色訪問控制RBAC（Role Based Access Control）［2］的安全認證協(xié)議。通過對閱讀器分配角色、對標簽賦予安全等級等措施，來控制閱讀器的訪問范圍，從而保護非授權(quán)標簽信息的安全。經(jīng)過對比，此協(xié)議在安全性和高效性方面優(yōu)于其他安全協(xié)議，更適合低成本RFID系統(tǒng)。

2 現(xiàn)有RFID安全協(xié)議分析

由于RFID系統(tǒng)通過無線廣播進行信息交換，因此閱讀器與標簽之間交換的數(shù)據(jù)很容易遭受截獲。同時受到標簽存儲和計算能力的限制，傳統(tǒng)加密技術(shù)無法應(yīng)用于RFID前端信道信息的加密，因此前端信道極易遭受外界的攻擊。為了保證RFID系統(tǒng)信息的安全，保護用戶的隱私，許多RFID安全協(xié)議被提出，如基于Hash函數(shù)的安全協(xié)議、基于傳統(tǒng)加密技術(shù)的安全協(xié)議、基于位運算的安全協(xié)議以及基于訪問控制的安全協(xié)議等。

基于Hash函數(shù)的安全協(xié)議主要包括Hash－Lock協(xié)議［3］、隨機化Hash－Lock協(xié)議［4］、Hash鏈協(xié)議［5］等。Hash－Lock協(xié)議采用metaID代替標簽的真實ID，以此來保護標簽信息避免泄露，認證過程中metaID保持不變，Key和標簽ID以明文形式通過不安全信道發(fā)送。因此，此協(xié)議容易受到假冒攻擊、重傳攻擊和位置跟蹤等。隨機化Hash－Lock協(xié)議每次標簽回答都是隨機的，因此可以抵抗位置跟蹤攻擊，但當(dāng)認證通過后，標簽ID以明文方式發(fā)送，因此其無法抵抗假冒攻擊和重傳攻擊等。Hash鏈協(xié)議采用兩個不同的Hash函數(shù)，可以抵抗位置跟蹤，但每次認證數(shù)據(jù)庫都要對所有標簽ID進行計算和比較，計算量大，不適合大規(guī)模系統(tǒng)使用。

基于傳統(tǒng)加密技術(shù)的安全協(xié)議主要包括基于DES算法的RFID安全協(xié)議［6］、基于橢圓曲線密碼的RFID安全協(xié)議［7］、基于公鑰的RFID安全協(xié)議［8］等。雖然基于傳統(tǒng)加密技術(shù)的RFID安全協(xié)議安全性很高，但由于RFID系統(tǒng)標簽有限的計算和存儲能力，其不適用于低成本RFID系統(tǒng)。

基于位運算的安全協(xié)議主要是為了降低計算量，如基于異或運算的RFID認證協(xié)議［9］，此協(xié)議采用異或運算，減少了標簽對硬件的要求，更容易實現(xiàn)，更適合低成本RFID系統(tǒng)，但其沒有考慮閱讀器的授權(quán)問題，容易造成非授權(quán)標簽信息的泄漏。

基于訪問控制的安全協(xié)議目的是限制閱讀器的訪問權(quán)限，從而更好地保護標簽信息的安全。如基于OPDL規(guī)則的訪問控制協(xié)議［10］，但其采用復(fù)雜的OPDL規(guī)則，計算量大，計算過程復(fù)雜，不適合低成本RFID系統(tǒng)。而文獻［11］提到的一種基于訪問控制的認證協(xié)議，對非授權(quán)標簽安全問題沒有考慮，因此安全性受到很大限制。

3 基于RBAC的RFID安全認證協(xié)議

為了在保護非授權(quán)標簽信息安全的同時降低系統(tǒng)對標簽的硬件要求，本文提出了一種基于RBAC的RFID安全認證協(xié)議。此協(xié)議通過引入角色控制機制，來保護非授權(quán)標簽信息的安全，同時可以抵抗系統(tǒng)內(nèi)部閱讀器攻擊；采用部分ID和異或運算，降低對標簽的硬件要求，更適合低成本RFID系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)初始化

本系統(tǒng)由標簽、閱讀器、后臺數(shù)據(jù)庫和密鑰分配中心KDC（Key Distribution Center）組成。其中，標簽?zāi)軌虍a(chǎn)生隨機數(shù)，并能進行異或運算；閱讀器從KDC接收私鑰和公鑰，能夠產(chǎn)生隨機數(shù)和進行異或運算；數(shù)據(jù)庫負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲以及權(quán)限的驗證和數(shù)據(jù)的檢索，并從KDC接收私鑰和公鑰；密鑰分配中心負責(zé)為閱讀器和數(shù)據(jù)庫分配公鑰和私鑰。數(shù)據(jù)庫與閱讀器之間的通信信息采用RSA加密技術(shù)加密，雙方都用對方的公鑰加密發(fā)送的信息，用自己的私鑰解密接收的信息。

（1）角色定義：對不同閱讀器根據(jù)用戶ID賦予閱讀器不同的權(quán)限，也就是說，不同的閱讀器扮演不同的角色。

（2）標簽初始化：標簽IDt，安全級別SPid；

（3）閱讀器初始化：閱讀器IDr，所屬數(shù)據(jù)庫IDd；

（4）數(shù)據(jù)庫初始化：數(shù)據(jù)庫IDd，主要的數(shù)據(jù)表如表1～表5所示。

3.2 協(xié)議的執(zhí)行過程

（1）閱讀器向后臺數(shù)據(jù)庫發(fā)送角色申請請求Authority和自己的IDr以及所屬的數(shù)據(jù)庫IDd和用戶的ID。

（2）后臺數(shù)據(jù)庫根據(jù)收到的數(shù)據(jù)庫IDd查詢自己的IDd值，如果與自己的IDd相同，則再在自己數(shù)據(jù)庫中查找IDr如果查找到相同的IDr，則閱讀器認證通過，否則閱讀器認證失敗。閱讀器認證通過后，再根據(jù)用戶ID查詢相對應(yīng)的角色IDrol，并將角色IDrol和與此角色IDrol對應(yīng)的安全級別SPid2返回給閱讀器。對于不是本地的閱讀器，則數(shù)據(jù)庫根據(jù)IDd通過EPC網(wǎng)絡(luò)，與遠程數(shù)據(jù)庫通信，進行相關(guān)信息的查詢。

Table 1 Relationship between IDt and IDd表1 閱讀器IDt與數(shù)據(jù)庫IDd關(guān)系表

Table 2 Relationship between ID and IDrol表2 用戶ID與角色IDrol關(guān)系表

Table 3 Relationship between IDt and SPid表3 標簽IDt與安全級別SPid關(guān)系表

Table 4 Relationship between IDrol and SPid表4 角色IDrol與安全級別SPid關(guān)系表

Table 5 Relationship between SPid and authority表5 安全級別SPid與權(quán)限關(guān)系表

（3）閱讀器生成一個隨機數(shù)R，然后將R和詢問請求Query發(fā)送給標簽。

（4）標簽生成一個隨機數(shù)n，計算R′＝R⊕PID，其中R為從閱讀器接收所得，PID＝（IDt，n）表示在IDt數(shù)據(jù)中截取從開始位置長度為n的數(shù)據(jù)作為PID，⊕為異或運算。并將R′、n、R以及自己的安全級別SPid 1發(fā)送給閱讀器。

（5）閱讀器根據(jù)接收到的R，首先驗證與自身產(chǎn)生的R是否相等，如果相等，則繼續(xù)根據(jù)收到的SPid1與自己的SPid2比較；如果不相等，則認證失敗。當(dāng)SPid2≥SPid1時，閱讀器將R、n、R′、IDrol和SPid 1轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫根據(jù)收到的R、n、R′計算得到PID，然后查詢SPid1安全級別下的所有標簽IDt，如果存在PID′＝（IDti，n）＝PID，則標簽認證通過，否則，標簽認證失敗。在標簽認證通過之后，數(shù)據(jù)庫根據(jù)IDrol查詢閱讀器的安全級別SPid 2，如果兩者相匹配，則閱讀器權(quán)限確認，將標簽相關(guān)信息發(fā)送給閱讀器，否則，閱讀器權(quán)限認證失敗。

（6）當(dāng)閱讀器SPid2＜SPid1時，閱讀器返回權(quán)限不足的信息，如果用戶選擇升級權(quán)限并付費，則數(shù)據(jù)庫根據(jù)付費信息返回給閱讀器一個大于或等于SPid1的安全級別，閱讀器從而獲得訪問權(quán)限。

具體認證過程如圖1所示。

Figure 1 Secure authentication protocol of RFID system based on RBAC圖1 基于RBAC的RFID安全認證協(xié)議

4 安全性分析

本文提出的安全認證協(xié)議的核心是基于RBAC，在認證過程中，引入角色機制，同時標簽和閱讀器都采用隨機數(shù)和異或運算，安全性與硬件要求得到保證。下面對幾種典型的攻擊進行分析。

（1）非授權(quán)標簽攻擊：通過用戶ID，閱讀器可以獲取不同的角色，從而獲得相應(yīng)的安全級別。如根據(jù)初始數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)：閱讀器002根據(jù)登錄的用戶zad，可以獲得角色001，從而此閱讀器可以獲得的安全級別為01，而屬于此安全級別下的標簽只有00001與00002。這樣，閱讀器002根據(jù)其安全級別，對這兩個標簽無任何讀取權(quán)限，而對于數(shù)據(jù)庫中的其他所有未授權(quán)的標簽如00003、0000N的信息也同樣無法讀寫；而如果閱讀器002登錄用戶ID為DDD，閱讀器獲得的角色為002。因此，閱讀器獲得的安全級別為02，而此安全級別下的標簽ID為00003，這樣，閱讀器002只能讀取標簽00003的信息，而對其無寫入權(quán)限。同時，對數(shù)據(jù)庫中的其他標簽，沒有任何讀寫權(quán)限，從而能夠更好地保護非授權(quán)標簽信息免遭泄露。

（2）假冒攻擊：在RFID系統(tǒng)中，有兩種假冒攻擊［12］。一種是系統(tǒng)外部假冒攻擊：攻擊者偽裝成合法閱讀器或者合法標簽進行假冒攻擊；另一種是系統(tǒng)內(nèi)部假冒攻擊：系統(tǒng)內(nèi)部閱讀器假冒其他系統(tǒng)內(nèi)部閱讀器進行攻擊。

①系統(tǒng)外部假冒攻擊。首先攻擊者偽裝成合法閱讀器，發(fā)送Query‖R1給標簽，攻擊者獲取標簽的回應(yīng)SPid‖R′‖n‖R并存儲；在下次認證會話中，當(dāng)真正的合法閱讀器發(fā)送Query‖R2時，攻擊者偽裝成合法標簽向閱讀器響應(yīng)SPid‖R′‖n‖R。由于閱讀器每次會話都會產(chǎn)生一個新的隨機數(shù)，即R1≠R2，所以PID1＝R′⊕R1，PID2＝R′⊕R2→PID1≠PID2。又因為PID1＝（IDt，n），所以PID2≠（IDt，n）。所以，在數(shù)據(jù)庫中的SPid對應(yīng)的標簽下查找不到PID2＝（IDt′，n），因此此協(xié)議可以抵抗此類假冒攻擊。

②系統(tǒng)內(nèi)部假冒攻擊。因為攻擊者是系統(tǒng)內(nèi)部閱讀器，其對整個通信協(xié)議都非常清楚，因此此攻擊具有很大的危險性。假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)部閱讀器x假冒內(nèi)部閱讀器y向標簽j進行認證請求。由于閱讀器與后臺數(shù)據(jù)庫進行通信時經(jīng)過RSA加密，而閱讀器x無法得到閱讀器y的私鑰，因此閱讀器x得到數(shù)據(jù)庫的響應(yīng)Ekuy（IDrol‖SPid1）后無法解密，認證失敗。同時，如果閱讀器x和閱讀器y的安全等級不同的話，對標簽的請求也有可能被拒絕，從而保護了標簽的安全性。

（3）重傳攻擊：重傳攻擊主要包括兩種，一種是系統(tǒng)外部重傳攻擊，另一種是系統(tǒng)內(nèi)部重傳攻擊。

①系統(tǒng)外部重傳攻擊：首先攻擊者掃描標簽，并記錄標簽對其響應(yīng)數(shù)據(jù)SPid‖R′‖n‖R，在之后的某個時刻，攻擊者將此響應(yīng)重傳給閱讀器，但是由于每次標簽的響應(yīng)都有隨機數(shù)R參與，即使閱讀器將此響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)庫，由于兩次隨機數(shù)R相同，數(shù)據(jù)庫則認為此響應(yīng)已經(jīng)收到過，因此直接拒絕再次響應(yīng)。所以，此協(xié)議也可以抵抗此類重傳攻擊。

②系統(tǒng)內(nèi)部重傳攻擊：由于系統(tǒng)內(nèi)部閱讀器對系統(tǒng)內(nèi)部整個認證過程了解，因此在經(jīng)過一次合法認證過程之后，如果閱讀器將標簽響應(yīng)信息存儲，則對于Hash－Lock協(xié)議、隨機化Hash－Lock協(xié)議和Hash鏈協(xié)議等，閱讀器可以不經(jīng)過后臺數(shù)據(jù)庫而直接對標簽進行讀取。

而對于本協(xié)議，由于閱讀器的閱讀權(quán)限必須經(jīng)過后臺數(shù)據(jù)庫確認之后才能讀取權(quán)限范圍內(nèi)的信息，因此，閱讀器必須轉(zhuǎn)發(fā)其存儲的標簽響應(yīng)信息，而對于相同的響應(yīng)信息，數(shù)據(jù)庫則直接拒絕，因此此協(xié)議可以完全抵抗系統(tǒng)內(nèi)部閱讀器重傳攻擊。

（4）位置跟蹤：如果閱讀器發(fā)送詢問請求，標簽收到請求后發(fā)送響應(yīng)。由于標簽每次都生成一個隨機數(shù)，因此每次SPid‖R′‖n‖R都不相同，無法確定為同一個標簽的響應(yīng)，也就不能進行位置跟蹤。

（5）竊聽攻擊：在閱讀器和標簽之間傳輸?shù)男畔⒂捎谄淝岸诵诺啦话踩?，可能會被竊聽。但是，由于在閱讀器和標簽之間的通信信息都有隨機數(shù)的參與，根據(jù)Shannon理論證明：如果在XOR操作中至少有一項是隨機的，則簡單的XOR加密是安全的［13］。

因此，閱讀器之間的通信是安全的，此協(xié)議可以抵抗竊聽攻擊。

從表6可以看出，本協(xié)議具有很強的安全性，在非授權(quán)標簽攻擊、內(nèi)部閱讀器攻擊等方面都有自己特有的安全機制。

Table 6 Security analysis of security protocols表6 各個安全協(xié)議安全性分析

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于RBAC的RFID安全認證協(xié)議，該協(xié)議通過引入基于角色的訪問控制機制和安全級別等措施，來保護非授權(quán)標簽信息的安全性，從而控制閱讀器訪問范圍，防止非授權(quán)標簽信息的泄露，彌補了目前一些RFID安全協(xié)議不能保護非授權(quán)標簽信息安全的不足。同時，該協(xié)議利用部分ID的異或運算來降低標簽的計算量，更適合低成本RFID系統(tǒng)。

［1］ Bai Yu，Teng Jian－fu，Zhang Li－yi，et al.Hash lock－based strengthen synchronization RFID authentication protocol［J］.Computer Engineering，2009，35（21）：138－143.（in Chinese）

［2］ Ferraiolo D，Kuhn R.Role based access controls［C］∥Proc of the 15th NIST－NCSC National Computer Security Conference，1992：554－563.

［3］ Sarma S E，Weis S A，Engels D W.RFID systems and security and privacy implications［C］∥Proc of the 4th International Workshop on Cryptographic Hardware and Embedded Systems（CHE2002），2003：454－469.

［4］ Weis S A.Security and privacy in radio frequency identification device［D］.USA：MIT，2003.

［5］ Ohkubo M，Suzuki K，Kinoshita S.Hash－chain based forward－secure privacy protection scheme for low－cost RFID［C］∥Proc of the 2004 Symposium on Cryptography and Information Security（SCIS 2004），2004：719－742.

［6］ Li Yan－kun，Xie Jing，Mao Zhi－gang.Secure RFID system based on DES encrypt algorithm［J］.Modern Electronic Technique，2009（1）：87－93.（in Chinese）

［7］ Wu Xue－h(huán)ui，Niu Zhi－h(huán)ua，Wang Chao.Security protocol of RFID based on elliptic curve cryptography［J］.Computer Engineering and Design，2010，31（24）：5165－5167.（in Chinese）

［8］ Li Bin，Ling Li.An NTRU public key encryption system based RFID authentication protocol［J］.Computer Applications and Software，2012，29（4）：278－280.（in Chinese）

［9］ Pan Tao，Zuo Kai－zhong，Guo Liang－min，et al.Mutual authentication protocol based on XOR operation for low－cost RFID［J］.Computer Engineering，2012，38（9）：278－281.（in Chinese）

［10］ Li Yi－yang，Sun Gang.An OPDL rule－based RFID date access control mechanism［J］.Communications Technology，2009，42（1）：239－241.（in Chinese）

［11］ Wang Gui－chao，Zhang Ai－li，Li Yong－zhen.Secure authentication protocol of RFID system based on access control［J］.Advanced Engineering Forum，2012，6（9）：1072－1077.

［12］ Xie Chuan.RFID authentication protocol based on hash function and key array［J］.Journal of Computer Applications，2011，31（3）：805－811.（in Chinese）

［13］ Yang Ling，Chen Zhi－qiang.A mutual authentication protocol for low－cost RFID［J］.Computer Applications and Software，2010，27（8）：298－300.（in Chinese）

附中文參考文獻：

［1］ 白煜，滕建輔，張立毅，等.基于Hash鎖的同步強化RFID驗證協(xié)議［J］.計算機工程，2009，35（21）：138－143.

［6］ 李彥堃，謝憬，毛志剛.基于DES算法的RFID安全系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（1）：87－93.

［7］ 吳學(xué)慧，牛志華，王潮.基于橢圓曲線密碼的RFID安全協(xié)議［J］.計算機工程與設(shè)計，2010，31（24）：5165－5167.

［8］ 李斌，凌力.一種基于NTRU公鑰加密系統(tǒng)的RFID認證協(xié)議［J］.計算機應(yīng)用與軟件，2012，29（4）：278－280.

［9］ 潘濤，左開中，郭良敏，等.基于異或運算的低成本RFID雙向認證協(xié)議［J］.計算機工程，2012，38（9）：278－281.

［10］ 李亦楊，孫罡.一種基于OPDL規(guī)則的RFID數(shù)據(jù)訪問控制機制［J］.通信技術(shù)，2009，42（1）：239－241.

［12］ 謝川.結(jié)合Hash函數(shù)和密鑰陣列的RFID安全認證協(xié)議［J］.計算機應(yīng)用，2011，31（3）：805－811.

［13］ 楊靈，陳志強.一種低成本RFID的雙向認證協(xié)議［J］.計算機應(yīng)用與軟件，2010，27（8）：298－300.