基于脆弱零水印的RFID標(biāo)簽篡改檢測

陳泓宇，姚孝明，寇瑜琨

（海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?70228）

0 引 言

RFID技術(shù)主要由標(biāo)簽、閱讀器和RFID中間件組成。標(biāo)簽和閱讀器之間的通信采用雙向認(rèn)證技術(shù)來保障安全。但是在無線傳輸、信號廣播和資源局限等條件下，RFID標(biāo)簽面臨篡改、跟蹤、監(jiān)聽等安全攻擊?，F(xiàn)有的大多數(shù)研究都是關(guān)注標(biāo)簽的隱私性和標(biāo)簽與閱讀器之間的通信安全［1－3］，而對標(biāo)簽安全性關(guān)注得甚少，然而，現(xiàn)有的EPC－global［4］標(biāo)準(zhǔn)——EPC Class 1Gen 2 （EPCC1G2）是允許對標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作的。惡意攻擊者不僅可以通過RFID標(biāo)簽追溯商品的特點來獲取消費者的喜好，而且可以隨時對標(biāo)簽進(jìn)行訪問進(jìn)而篡改標(biāo)簽。由于RFID標(biāo)簽成本低廉，其計算、存儲與通訊能力都十分有限，現(xiàn)在需設(shè)計出一個既不增加運算復(fù)雜度又不增加存儲空間的方法。基于傳統(tǒng)加密技術(shù)或Hash函數(shù)等安全隱私保護(hù)方案并不適用于低成本的RFID標(biāo)簽中，當(dāng)前基于硬件更改的RFID標(biāo)簽方案無法遵循現(xiàn)有的EPCC1G2標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)難以得到推廣。數(shù)字水印技術(shù)一個卓越的特性是人眼無法察覺但是機器可以識別。值得注意的是，基于數(shù)字水印的方法可以在不修改當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的前提下提高標(biāo)簽的安全性。雖然現(xiàn)有應(yīng)用于RFID標(biāo)簽中的脆弱數(shù)字水印方案在提高標(biāo)簽的安全性方面取得了一定進(jìn)步，但其本身的局限性使惡意攻擊者能夠獲取水印，無法保證RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)安全性。

針對以上問題，基于脆弱零水印的RFID標(biāo)簽篡改檢測方案將水印和標(biāo)簽載體進(jìn)行物理分離，并且把水印存放在后臺數(shù)據(jù)庫中，這使得只有合法閱讀器才能獲取水印信息。該方案在與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)相兼容的前提下提高了RFID標(biāo)簽的安全性。

1 相關(guān)研究

最初在安全性和隱私性方面，RFID研究的主流是隱私性問題。到目前為止，EPCglobal協(xié)議群中關(guān)于RFID安全性問題的描述并不多。由于大多數(shù)RFID數(shù)據(jù)傳輸都是在沒有任何保護(hù)下的無線通信信道，這樣就給惡意攻擊者竊聽數(shù)據(jù)以及篡改標(biāo)簽留有漏洞。影響RFID標(biāo)簽安全性的主要因素有：低成本標(biāo)簽計算能力有限、存儲空間小、閱讀器和標(biāo)簽之間的射頻通信是開放式的。根據(jù)RFID技術(shù)的特點，獲取RFID標(biāo)簽有兩種方法：①直接獲取標(biāo)簽實體；②通過射頻通信獲取。在第1種情況下，即惡意攻擊者對標(biāo)簽擁有者不知情，對目標(biāo)標(biāo)簽進(jìn)行物理破壞是幾乎不可能發(fā)生的。在第2種情況下，惡意攻擊者無需知道標(biāo)簽擁有者的任何信息可以通過射頻通信對標(biāo)簽中可復(fù)寫存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，這種情況是容易發(fā)生的。例如L.Grunwald設(shè)計的RFDump軟件，惡意攻擊者只需把這個軟件裝在電腦中且安裝上閱讀器，他就能輕易地讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)、修改標(biāo)簽數(shù)據(jù)。所以標(biāo)簽的安全性是一個不容忽視的問題，怎樣提高標(biāo)簽的安全性是我們亟待解決的問題。

到目前為止，關(guān)于RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)篡改檢測的方法可以分為3大類：基于標(biāo)簽數(shù)據(jù)加密的篡改檢測方案；基于硬件更改的篡改檢測方案；基于軟件更改的篡改檢測方案。

1.1 基于標(biāo)簽數(shù)據(jù)加密的篡改檢測方案

Palo Bernardi等［5］提出了基于RSA加密標(biāo)準(zhǔn)的身份認(rèn)證方案，即對標(biāo)簽ID加密且存放在標(biāo)簽中。如果對標(biāo)簽解密后的ID與實際ID不相符，則認(rèn)定該標(biāo)簽是偽造的。該方案的優(yōu)點是既能夠防止標(biāo)簽數(shù)據(jù)被復(fù)制，又能防止標(biāo)簽數(shù)據(jù)被篡改。但是該方案是基于公鑰加密的，低成本RFID標(biāo)簽不具備加密的能力，所以這個方案在實際情況中難以實現(xiàn)。S.Spiekermann［6］提出了一種基于對稱加密系統(tǒng)的方案。在對標(biāo)簽進(jìn)行篡改檢測時，只需解密數(shù)據(jù)，且只有授權(quán)方才能夠?qū)?biāo)簽檢測。惡意攻擊者當(dāng)且僅當(dāng)獲得密鑰才有可能篡改數(shù)據(jù)。該方案對讀／寫數(shù)據(jù)沒有特殊要求，并且簡單易實現(xiàn)。但是該方案只適用于遵循ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽，該標(biāo)簽存儲區(qū)容量多達(dá)8000位。然而，目前應(yīng)用最廣泛的是只有96位存儲區(qū)的EPCC1G2標(biāo)簽，大多數(shù)標(biāo)簽是沒有足夠的存儲空間去存儲這些加密信息。此外，由于該方案系統(tǒng)的魯棒性是基于密鑰安全的，所以該方案依賴于參與實體間高度信任。

以上基于標(biāo)簽數(shù)據(jù)加密的篡改檢測方案的缺點是：廣泛應(yīng)用于實際中的RFID低成本標(biāo)簽沒有高效的計算能力和強大的存儲空間，所以以上方案難以在實際情況中實施。

1.2 基于硬件更改的篡改檢測方案

EPCC1G2標(biāo)準(zhǔn)下的標(biāo)簽存儲區(qū)分為保留區(qū)、EPC區(qū)、TagID區(qū)和用戶區(qū)，Yamamoto等［7］提出了基于寫活動記錄的方案，該方案把標(biāo)簽存儲區(qū)中用戶存儲區(qū)的部分區(qū)域定義為隱私存儲區(qū)。在這個區(qū)域中只有標(biāo)簽自己能夠讀和寫，而閱讀器只能讀數(shù)據(jù)。判斷標(biāo)簽是否被篡改過，只要檢查該隱私存儲區(qū)是否被復(fù)寫過。如果此區(qū)域沒有被復(fù)寫則認(rèn)定標(biāo)簽未被篡改過。該方案的優(yōu)點是：在能夠檢測出標(biāo)簽是否被篡改過的基礎(chǔ)上提高了標(biāo)簽的安全性，并且不涉及加密技術(shù)和繁復(fù)的運算。但是該方案的缺點是不僅需要增加額外的存儲區(qū)，而且需要更改中間件，況且錯誤的數(shù)據(jù)在未用過的區(qū)域中是無法檢測出來的。該方案同樣不適用于信息系統(tǒng)等需要重復(fù)使用存儲區(qū)域的系統(tǒng)。索尼的靈通芯片在RFID芯片中增加了安全機制，即在首次寫入數(shù)據(jù)后將存儲區(qū)鎖住。由于靈通芯片需要很多的集成電路使得制造該標(biāo)簽的成本會很高。HITACHI安全標(biāo)簽［8］是基于塊的讀寫鎖函數(shù)，它將用戶區(qū)分成5個塊，一旦多于5個用戶需要使用，那么就需要用口令區(qū)分這幾個部分，況且基于鎖機制的這個方案和現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)不兼容。

以上基于硬件更改的篡改檢測方案的缺點有二。其一：如果制造商希望充分使用標(biāo)簽并且多次寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)，這些首次寫鎖機制的方案就不能滿足制造商們的需求。其二：這些方案和現(xiàn)有EPCC1G2標(biāo)準(zhǔn)不兼容。

1.3 基于軟件更改的篡改檢測方案

數(shù)字水印技術(shù)是利用特定的算法在數(shù)字作品中嵌入具有標(biāo)志性的信息的同時不影響原作品的價值。數(shù)字水印系統(tǒng)主要包括水印的嵌入和水印的提取。Potdar［9］最先將數(shù)字水印技術(shù)引入到RFID領(lǐng)域，即將標(biāo)簽數(shù)據(jù)中EM位或OC位作為脆弱數(shù)字水印形成的輸入。在形成8位的水印后，將形成的水印和1位奇偶校驗碼一起嵌入到標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的序列號位置。通過對比水印的方法判斷標(biāo)簽是否被篡改過。Potdar提出的這個方案在不需要對現(xiàn)有的標(biāo)簽和閱讀器之間的通訊協(xié)議做修改的條件下不僅能夠檢測出標(biāo)簽是否被篡改過，而且能夠檢測出被篡改過的具體位置。但是，該方案存在一些缺陷：首先，由于該方案是基于單向函數(shù)的，如果惡意攻擊者猜測出這個方法，大量的標(biāo)簽數(shù)據(jù)將會被篡改。其次，由于該方案中的數(shù)據(jù)信息在任何情況下都是不變的，以至于惡意攻擊者可以通過多次對比標(biāo)簽，確定數(shù)字水印放在序列號的具體位置從而篡改標(biāo)簽、克隆標(biāo)簽。此外該方案只能應(yīng)用于96位的RFID標(biāo)簽中，致使其應(yīng)用受限。Noman［10］提出的方案是用32位的滅活口令作為載體，它可以檢測RFID中任何位置的篡改。雖然將水印嵌入到滅活口令域中直接降低了數(shù)字水印被修改的可能性。但是這種將水印嵌入標(biāo)簽中并且沒有加密形式的方法都有可能被惡意攻擊者獲取，進(jìn)而危害到標(biāo)簽的安全性。Curran等［11］提出了用混沌映射的數(shù)字水印的篡改檢測方法，先將EM位和OC位分別填充擴展至32位后通過哈希函數(shù)產(chǎn)生6位的水印。EM產(chǎn)生的6位水印嵌入到OC位中，OC產(chǎn)生的6位水印嵌入到SN位中。該方案在和現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)相兼容的同時又適用于低成本標(biāo)簽。但是把OC和SN作為載體，可能會使標(biāo)簽被惡意攻擊者篡改。

以上基于軟件更改的篡改檢測方案的缺點是：水印存放在標(biāo)簽中，惡意攻擊者可以對比標(biāo)簽猜測出水印的形成和存放的位置從而篡改標(biāo)簽。

2 技術(shù)方案

數(shù)字水印原本應(yīng)用于數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)認(rèn)證［12］，它被廣泛應(yīng)用于數(shù)字圖像、數(shù)字音頻以及數(shù)字視頻中，鮮有應(yīng)用于RFID中數(shù)據(jù)完整性和安全性。數(shù)字水印的出現(xiàn)為保護(hù)數(shù)據(jù)不被非法操縱和控制提供了一個低成本的實現(xiàn)方法。在全國第三屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會上，溫泉等首次提出了“零水印”的概念?！傲闼　钡奶岢鍪菫榱嗽鰪姶嗳鯏?shù)字水印的魯棒性，實際上是魯棒零水印。而本方案提出的零水印是對脆弱數(shù)字水印的一種擴充，實際上是脆弱零水印?；诖嗳趿闼〖夹g(shù)RFID標(biāo)簽方案并不將水印嵌入到作品載體中，而是存放在后臺數(shù)據(jù)庫中。這種將水印和標(biāo)簽載體進(jìn)行物理隔離的方法使得未被授權(quán)者和惡意攻擊者難以獲得水印，從而保護(hù)了標(biāo)簽的安全性。

我們所提出的方案需要滿足：①在遵循EPCC1G2標(biāo)準(zhǔn)的同時又對現(xiàn)有的RFID標(biāo)簽不增加額外的負(fù)擔(dān)；②水印的形成和篡改檢測方法應(yīng)該足夠簡單的同時又能提供較好的安全性，使惡意攻擊者不能獲取水印。

具體分為3個步驟：水印的形成；水印的存放；篡改檢測。

我們所討論的標(biāo)簽是符合EPCC1G2標(biāo)準(zhǔn)的96位的EPC標(biāo)簽。在EPC標(biāo)簽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的4個域中，H位和EM位都是由EPCGlobal機構(gòu)決定的。H位代表EPC標(biāo)簽固定標(biāo)識符，即對H位的任何篡改都會使整個標(biāo)簽無效。最具有篡改價值的是EM位和OC位，它們分別代表的是具體公司和產(chǎn)品類型，因此EM位和OC位是最有可能被篡改的。SN位代表具體的產(chǎn)品，它的商業(yè)價值較小，篡改SN位所需成本較大。因此，我們把相對重要的EM位和OC位作為形成水印的輸入。

符號定義見表1。

表1 符號定義

2.1 零水印的形成

輸入：RFID標(biāo)簽中EM位和OC位 （將28位的EM位填充到32位，OC位同上）

輸出：通過偽隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個唯一的數(shù)值串，即水印Wz。

水印的形成如圖1所示。

圖1 水印的形成

水印形成算法

（1）將28位EM和24位OC填充到32位。

Pad＿F函數(shù)的偽代碼：

開始

1）計算需要填充的位數(shù)j。（例如：EM位需要填充4位）。

2）用j位長的最高有效位作為填充數(shù)對低位填充至32位。

（例如

結(jié)束

（2）通過偽隨機函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生16位的輸出。

H＿F函數(shù)的偽代碼：

開始

1）執(zhí)行LAMED－EPC函數(shù)產(chǎn)生16位輸出，Out［0～15］

2）將Out［0～7］和Out［8～15］異或產(chǎn)生8位輸出，最終將Out［0～7］中高6位作為輸出。

3）6位由EM位產(chǎn)生的水印和6位由OC位產(chǎn)生的水印都產(chǎn)生了。

結(jié)束

LAMED－EPC函數(shù)［13］：這個用于低成本標(biāo)簽的基于遺傳算法的偽隨機函數(shù)和EPCC1G2標(biāo)準(zhǔn)是相兼容的。該函數(shù)的初始向量有iv和只有合法閱讀器和標(biāo)簽知道的s。

開始

1）32位輸出由以下等式形成

其中n是內(nèi)部狀態(tài)變量 （本例中是32），a0和a1都是32位長的隨機形成的無符號整數(shù)，O是馬特賽特旋轉(zhuǎn)演算發(fā)生器。

2）產(chǎn)生的32位輸出被分成兩部分高16位和低16位

3）高16位和低16位異或產(chǎn)生16位輸出。

結(jié)束

2.2 水印的存放

在后臺數(shù)據(jù)庫中建立一個表，存放水印Wz。

2.3 篡改檢測

通過后臺數(shù)據(jù)庫的驗證后，閱讀器獲得水印Wz，進(jìn)行水印比對。如圖2所示。

輸入：Wz，哈希函數(shù)f（.）

輸出：判斷標(biāo)簽是否被篡改過

圖2 篡改檢測

再次用偽隨機數(shù)發(fā)生器生成數(shù)字水印Wz～，通過和后臺數(shù)據(jù)庫取出的Wz比對。若相等則沒有被篡改過，否則標(biāo)簽被篡改過。

3 安全性分析

這部分將要討論該方案在滿足EPCC1G2標(biāo)準(zhǔn)的前提下，與現(xiàn)有方案的安全性做比較以及是否能在低成本RFID標(biāo)簽中應(yīng)用。

與現(xiàn)有的方案相比，可能出現(xiàn)的最壞的情況是：沒有察覺到惡意攻擊者篡改了標(biāo)簽或者修改標(biāo)簽并且形成相應(yīng)的水印。例如，惡意攻擊者通過非法手段獲取了標(biāo)簽，與此同時他篡改了標(biāo)簽中EM位。在脆弱數(shù)字水印方案中，由于水印存放在標(biāo)簽載體中，所以這種情況是可能發(fā)生的。但是在本方案中，由于未授權(quán)者無法獲取后臺數(shù)據(jù)庫中的水印，因此這種情況是不會發(fā)生的。只要后臺數(shù)據(jù)庫中存放水印的表足夠安全，我們提出的脆弱零水印技術(shù)就能準(zhǔn)確判斷出標(biāo)簽是否被修改過。

該方案有3個操作算法，異或操作、填充數(shù)操作和偽隨機函數(shù)。其中異或操作和填充數(shù)操作都是輕量級算法，而相對繁復(fù)的LAMED－EPC函數(shù)是符合EPCC1G2標(biāo)準(zhǔn)的。因為LAMED－EPC的標(biāo)準(zhǔn)安全性分析要求：從之前隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的結(jié)果去預(yù)測現(xiàn)在所形成結(jié)果的概率要小于0.025%。而且它需要邏輯門的個數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于存儲閾值。所提出方案的安全性是依賴于LAMED－EPC的強度的，因此該方案的安全性更強。水印的形成和篡改檢測過程都是基于已證明過的數(shù)學(xué)性質(zhì)。所以和現(xiàn)有方案相比，該方案在滿足EPCC1G2標(biāo)準(zhǔn)的前提下又能提高標(biāo)簽的安全性。

4 結(jié)束語

針對RFID標(biāo)簽面臨的安全性問題和現(xiàn)有方案的局限性，提出基于脆弱零水印的RFID標(biāo)簽篡改檢測方案。該方案詳細(xì)地介紹了一個既能夠適用于現(xiàn)有低成本RFID標(biāo)簽的環(huán)境中，又在細(xì)節(jié)實現(xiàn)上是容易的。該方案把標(biāo)簽和水印進(jìn)行物理隔離從而保護(hù)標(biāo)簽水印不被惡意攻擊者獲取。將水印存放在后臺數(shù)據(jù)庫中使得只有合法的閱讀器才能獲取后臺數(shù)據(jù)庫的水印的方案不僅節(jié)省了低成本標(biāo)簽有限空間成本，而且提供了更高的安全性。此外該方案滿足EPCC1G2標(biāo)準(zhǔn)。在今后的研究中，我們將進(jìn)一步研究如何將該方案和標(biāo)簽與閱讀器雙向認(rèn)證技術(shù)結(jié)合起來。

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