基于RFID與NFC技術(shù)的防偽認(rèn)證系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

蔣 輝 孫林娟 張新榮

1(天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 天津 301636)2(天津大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 天津 300072)

基于RFID與NFC技術(shù)的防偽認(rèn)證系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

蔣 輝1孫林娟1張新榮2

1(天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 天津 301636)2(天津大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 天津 300072)

針對(duì)商品市場(chǎng)現(xiàn)有的防偽認(rèn)證方式，在分析和研究RFID技術(shù)和NFC技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一套相對(duì)完整的防偽認(rèn)證設(shè)計(jì)思路，并設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一個(gè)防偽認(rèn)證系統(tǒng)原型。該防偽認(rèn)證系統(tǒng)以RFID射頻標(biāo)簽作為信息載體，以手機(jī)NFC設(shè)備作為射頻標(biāo)簽讀寫(xiě)器，結(jié)合數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)完成商品真?zhèn)涡缘尿?yàn)證。該系統(tǒng)采用JavaEE平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，對(duì)企業(yè)進(jìn)行商品防偽認(rèn)證在思路和技術(shù)方面有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

NFC RFID 防偽 射頻識(shí)別 電子標(biāo)簽

0 引 言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了企業(yè)或個(gè)人，為了自身利益，生產(chǎn)和出售假冒偽劣商品的現(xiàn)象，導(dǎo)致假冒偽劣商品的生產(chǎn)和流通日益泛濫，涉及行業(yè)和商品種類眾多，嚴(yán)重?fù)p害了企業(yè)和消費(fèi)者的利益和安全。如何通過(guò)相關(guān)信息化技術(shù)手段，對(duì)商品的真?zhèn)涡赃M(jìn)行鑒別，防止假冒偽劣商品在市場(chǎng)上流通和銷售，成為一項(xiàng)亟待解決的重要問(wèn)題。

目前，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的比較成熟的防偽技術(shù)有條碼防偽、光學(xué)防偽、生物防偽、材料防偽、印刷防偽和RFID防偽等，整體來(lái)說(shuō)，基于RFID技術(shù)的防偽技術(shù)有著較高的性能。因此，本文所提出的防偽系統(tǒng)也采用了RFID部分技術(shù)。

1 RFID與NFC技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 RFID技術(shù)

RFID射頻識(shí)別是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它以電子標(biāo)簽(內(nèi)含芯片)來(lái)標(biāo)識(shí)物體，通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)來(lái)獲取物體的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)物體加以識(shí)別。RFID技術(shù)無(wú)需與被識(shí)別物體直接接觸，即可完成物體信息的輸入和處理，能快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集和處理物體的信息。相比條碼技術(shù)，RFID標(biāo)簽具備抗污損能力高、安全性高、信息容量大、可跟蹤等優(yōu)點(diǎn)，在目前的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，應(yīng)用廣泛。表1為幾種防偽技術(shù)的比較。

表1 防偽技術(shù)比較[1]

1.2 NFC技術(shù)

NFC近場(chǎng)通信技術(shù)是由非接觸式射頻識(shí)別(RFID)及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來(lái)，在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的功能，能夠在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換處理。該技術(shù)的工作頻率為13.56 MHz，目前被廣泛應(yīng)用在手機(jī)支付、門(mén)禁系統(tǒng)、交通一卡通、登機(jī)驗(yàn)證等領(lǐng)域，目前該項(xiàng)技術(shù)在日韓被廣泛應(yīng)用。

在實(shí)際應(yīng)用中，RFID平臺(tái)由RFID電子標(biāo)簽、RFID閱讀器和特定應(yīng)用系統(tǒng)組成。電子標(biāo)簽作為信息載體，電子標(biāo)簽的閱讀器通過(guò)與RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽內(nèi)容的讀寫(xiě)操作。本文中，由內(nèi)置了NFC設(shè)備的手機(jī)充當(dāng)RFID電子標(biāo)簽的閱讀器，通過(guò)NFC技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)與RFID電子標(biāo)簽的無(wú)線通信。

2 防偽認(rèn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在本文中，運(yùn)用RFID標(biāo)簽技術(shù)和NFC技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)商品防偽系統(tǒng)原型。以RFID電子標(biāo)簽作為信息載體，內(nèi)置NFC設(shè)備的手機(jī)作為電子標(biāo)簽閱讀器，通過(guò)NFC通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的讀寫(xiě)，并借助服務(wù)器端數(shù)據(jù)中心的相關(guān)應(yīng)用和算法來(lái)鑒別商品真?zhèn)涡浴Ｏ旅鎸⑼ㄟ^(guò)三個(gè)基本階段來(lái)分別介紹系統(tǒng)組成部分。

2.1 RFID電子標(biāo)簽初始化階段

本階段工作采用Java語(yǔ)言編寫(xiě)基于Android平臺(tái)的標(biāo)簽初始化APP應(yīng)用模塊。在該模塊里，首先，讀取RFID電子標(biāo)簽原始Id(每一個(gè)標(biāo)簽都有一個(gè)全球唯一的Id碼，本文命名為tagid)，然后通過(guò)該APP模塊中定義的網(wǎng)絡(luò)通信組件HttpUtil，將該tagid發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心基于該tagid，利用特定的算法計(jì)算出該tagid對(duì)應(yīng)的密鑰(key)，再通過(guò)HttpUtil通信組件將密鑰傳回到APP客戶端。然后通過(guò)該APP模塊中定義的writeTag方法將生成的密鑰(key)寫(xiě)入RFID電子標(biāo)簽的指定扇區(qū)位置，同時(shí)將tagid和密鑰(key)寫(xiě)入服務(wù)器端的數(shù)據(jù)中心，該階段的基本流程如圖1所示。

圖1 RFID標(biāo)簽初始化流程

2.2 商品信息初始化階段

本階段主要工作就是將RFID電子標(biāo)簽的原始Id與商品信息進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)。

通過(guò)商品信息初始化APP應(yīng)用，讀取出電子標(biāo)簽的tagid，將其發(fā)送到服務(wù)器端的數(shù)據(jù)中心，通過(guò)數(shù)據(jù)中心的商品信息業(yè)務(wù)管理模塊將該tagid與商品信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，寫(xiě)入數(shù)據(jù)中心；與此同時(shí)，商品信息的主屬性(商品編號(hào))添加到RFID電子標(biāo)簽基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)表中，商品基本信息添加到商品信息數(shù)據(jù)庫(kù)表中，至此，商品信息初始化工作完成。該階段的大致流程如圖2所示。

圖2 商品信息初始化流程

2.3 防偽認(rèn)證階段

本階段采用防偽認(rèn)證APP應(yīng)用來(lái)掃描粘貼在商品上的RFID電子標(biāo)簽(注意，針對(duì)不同種類的商品，電子標(biāo)簽應(yīng)該以不同且合適的方式與商品進(jìn)行粘貼)，防偽認(rèn)證APP應(yīng)用程序獲取電子標(biāo)簽的tagid和通過(guò)定義的readTag方法讀取與其對(duì)應(yīng)的密鑰(key)，通過(guò)設(shè)計(jì)和編寫(xiě)的網(wǎng)絡(luò)通信組件HttpUtil中的sendRequest方法，將tagid發(fā)送到服務(wù)器端的數(shù)據(jù)中心，并調(diào)用數(shù)據(jù)中心用于計(jì)算密鑰(key)的方法：generateKey(byte[] tagid)，并將密鑰(key)返回到防偽認(rèn)證APP客戶端；如果RFID電子標(biāo)簽中的密鑰(key)與數(shù)據(jù)中心返回的密鑰(key)相同，則在防偽認(rèn)證APP客戶端認(rèn)證結(jié)果界面顯示“正品”的認(rèn)證結(jié)果和該商品的基本信息；如果不相等，則顯示“偽品”認(rèn)證結(jié)果。使用“英文作者”樣式。圖3為防偽認(rèn)證基本流程。

圖3 防偽認(rèn)證基本流程

3 系統(tǒng)架構(gòu)與具體實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用JavaEE技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件來(lái)維護(hù)和管理數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用Spring MVC+Hibernate框架，按照規(guī)范的MVC設(shè)計(jì)模式，運(yùn)用Internet進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸、無(wú)線WiFi、無(wú)線GPRS網(wǎng)絡(luò)接入等多種通信方式，系統(tǒng)平臺(tái)整體包括三個(gè)APP應(yīng)用和服務(wù)器端應(yīng)用，如圖4所示。

圖4 防偽認(rèn)證系統(tǒng)整體組成圖

3.1 APP設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)說(shuō)明

在RFID電子標(biāo)簽初始化APP應(yīng)用模塊、商品信息初始化APP應(yīng)用模塊和防偽認(rèn)證APP應(yīng)用模塊中，都需要獲取RFID電子標(biāo)簽的tagid，在Android平臺(tái)中，我們首先借助NFC應(yīng)用API，通過(guò)以下語(yǔ)句代碼來(lái)獲取電子標(biāo)簽實(shí)體對(duì)象：

Tag tag = getIntent().getParacelableExtra

(NfcAdapter.EXTRA_TAG);

然后，調(diào)用Tag類中的getId()方法獲取電子標(biāo)簽的原始Id，代碼如下：

byte[] tagID = tag.getId();

定義了readTag和writeTag兩個(gè)用于讀寫(xiě)RFID電子標(biāo)簽信息的方法，方法聲明如下：

public byte[] readTag(MifareClassic mfc,

int sectorIndex,int blockIndex)

public void writeTag(MifareClassic mfc,

int sectorIndex,int blockIndex,byte[] data)

其中，readTag方法通過(guò)指定分區(qū)位置(sectorIndex)和數(shù)據(jù)塊位置(blockIndex)來(lái)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作；writeTag方法也通過(guò)指定分區(qū)位置和數(shù)據(jù)塊位置，將字節(jié)數(shù)組類型的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到RFID電子標(biāo)簽中。

需要注意的是，從RFID標(biāo)簽扇區(qū)中讀取出來(lái)的數(shù)據(jù)都是以字節(jié)數(shù)組的形式存在，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要對(duì)讀寫(xiě)參數(shù)和返回值加以相應(yīng)變換處理，數(shù)據(jù)庫(kù)中都是將字節(jié)數(shù)組以字符串存儲(chǔ)。

編寫(xiě)APP與數(shù)據(jù)中心通信工具類HttpUtil， 通過(guò)使用Java網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其核心代碼如下：

public static String sendRequest(Map

params, String servlet, String encode) {

StringBuffer buffer = new StringBuffer();

if (null != params && !params.isEmpty()) {

for (Map.Entry entry:

params.entrySet()){

buffer.append(entry.getKey()).append("=").append(

URLEncoder.encode(entry.getValue())).append("&");}

buffer.deleteCharAt(buffer.length() - 1);}

url = new URL(serverURL + servlet);

HttpURLConnection urlConnection =

(HttpURLConnection)url.openConnection();

urlConnection.setRequestMethod("POST");

byte[] data = buffer.toString().getBytes();

OutputStream outputStream =

urlConnection.getOutputStream();

outputStream.write(data);

outputStream.close();

if (200 == responseCode)

result =changeInputStream

(urlConnection.getInputStream(), encode);

return result;}

代碼中的粗體部分changeInputStream方法，由于篇幅問(wèn)題，沒(méi)有在文中寫(xiě)出，該方法主要是接收一個(gè)輸入流，將該輸入流轉(zhuǎn)為字符串輸出。

通過(guò)上述代碼中的sendReuqest方法將APP客戶端請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)器端的指定servlet控制器組件，servlet控制器組件將調(diào)用具體業(yè)務(wù)邏輯處理組件完成請(qǐng)求處理，并將響應(yīng)結(jié)果返回給HttpUtil通信組件。注意，由于在HttpUtil組件的sendRequest方法中，返回結(jié)果是Inpustream輸入流，因此，服務(wù)器端servlet控制器的輸出結(jié)果也應(yīng)該是OutputStream輸出流，具體代碼如下：response.getOutputStream().write(result.getBytes("utf-8"))；然后通過(guò)HttpUtil通信組件將響應(yīng)結(jié)果返回給app客戶端。

3.2 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)部分只描述RFID電子標(biāo)簽實(shí)體的核心屬性和商品實(shí)體的基本屬性，E-R模型如圖5所示。

圖5 RFID電子標(biāo)簽實(shí)體與product實(shí)體聯(lián)系

其中，RFID電子標(biāo)簽實(shí)體的屬性有兩個(gè)，分別是tagid和product_id，其中tagid是主屬性，product_id作為外鍵，應(yīng)用product實(shí)體的主屬性pid；product實(shí)體有4個(gè)屬性，分別是pid、product_name、category、information，其中pid是主屬性，兩個(gè)實(shí)體通過(guò)pid關(guān)聯(lián)起來(lái)。

數(shù)據(jù)中心核心業(yè)務(wù)處理方法如下：

(1) public byte[] getKey(final byte[] tagid)

該方法用于計(jì)算獲取RFID電子標(biāo)簽的密鑰key，基于tagid來(lái)生成對(duì)應(yīng)的密鑰(key)，生成密鑰(key)的算法是該系統(tǒng)比較重要的部分，關(guān)系到系統(tǒng)是否能夠真正起到防偽的可能性，由于該算法具有保密性，在本文中不再詳細(xì)說(shuō)明。

(2) public boolean addRFID(final RFID rfid)

該方法用于添加標(biāo)簽基本信息，在代碼實(shí)現(xiàn)中，運(yùn)用Hibernate框架的對(duì)象關(guān)系映射(Object-Relationship Mapping，簡(jiǎn)稱ORM)機(jī)制，結(jié)合FRID.hbm.xml文件，將RFID對(duì)象添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(3) public boolean initProduct(final Product product)

該方法用于完成商品基本信息初始化工作，具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制與addRFID()方法類似，但是在該方法里面包括兩個(gè)原子操作(atomic operation)，分別是addProduct(final Product product)和addPid(final String pid)。其中，addProdcut()用于將商品基本信息添加到product數(shù)據(jù)表中，addPid()用于將商品的主屬性pid添加到RFID電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)表中，用于兩個(gè)數(shù)據(jù)表進(jìn)行關(guān)聯(lián)。代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)機(jī)制保證兩個(gè)操作要么都成功執(zhí)行，要么都不執(zhí)行(事務(wù)回滾rollback)，具體如下：

public boolean initProduct(final Product product)

……

try{

connection.setAutoCommit(false);

addProdcut(product);

addPid(pid);

connection.commit();

}catch(Exception e)

{ connection.rollback();}

(4) public boolean isEquals(final byte[] tagid,final byte[] key)

該方法用于判斷RFID電子標(biāo)簽中的密鑰與數(shù)據(jù)中心生成的密鑰是否相等。

(5) public Product getProduct(final byte[] tagid)

該方法根據(jù)tagid檢索對(duì)應(yīng)的商品信息，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：在RFID電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)表中根據(jù)tagid檢索pid，然后在product數(shù)據(jù)表中再根據(jù)pid檢索商品基本信息。

4 防偽認(rèn)證系統(tǒng)測(cè)試部分

系統(tǒng)測(cè)試部分，本文根據(jù)香煙商品的基本數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試用例，通過(guò)RFID電子標(biāo)簽初始化APP和商品信息初始化APP對(duì)系統(tǒng)防偽認(rèn)證基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)施。

4.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試用例

由于數(shù)據(jù)庫(kù)中tagid是以字符串存儲(chǔ)的，而電子標(biāo)簽中tagid是以字節(jié)數(shù)組的形式存在。因此在系統(tǒng)中也定義了進(jìn)行字節(jié)數(shù)組與字符串轉(zhuǎn)換的方法。結(jié)合系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)要求，為RFID電子標(biāo)簽準(zhǔn)備了兩組數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)庫(kù)RFID信息

本系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)以利群香煙的基本數(shù)據(jù)為例，準(zhǔn)備了兩組商品基本數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)庫(kù)商品信息

4.2 測(cè)試結(jié)果

圖6 測(cè)試結(jié)果

圖6左邊的測(cè)試效果是利用了表2的第2組數(shù)據(jù)和表3的第2組數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，tagid為0X83142EF5，根據(jù)密鑰生成算法獲取密鑰(key)，通過(guò)writeTag方法寫(xiě)入指定分區(qū)的數(shù)據(jù)塊中，防偽認(rèn)證時(shí)，通過(guò)tagid來(lái)計(jì)算得到的密鑰與寫(xiě)入電子標(biāo)簽中的密鑰是相同的。因此，系統(tǒng)顯示“正品”的認(rèn)證結(jié)果并顯示商品的基本信息；而圖6右邊的測(cè)試效果是我們?nèi)藶榈匦薷牧藬?shù)據(jù)庫(kù)表中的tagid導(dǎo)致的，這樣會(huì)引起密鑰的不相等，導(dǎo)致認(rèn)證結(jié)果為“偽品”。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于NFC技術(shù)和RFID標(biāo)簽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了方便消費(fèi)者用于產(chǎn)品防偽認(rèn)證系統(tǒng)，為進(jìn)行防偽認(rèn)證提供了一個(gè)有效而可行的具體解決方案。本系統(tǒng)仍然存在很多不足之處，比如產(chǎn)品信息溯源、網(wǎng)絡(luò)安全、算法抗破解等具體問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究與完善。而這些問(wèn)題是保證防偽系統(tǒng)能夠真正起到防偽打假的決定性基礎(chǔ)因素，而且移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置NFC設(shè)備的普及、給商品粘貼RFID標(biāo)簽(會(huì)增加商品的成本)等問(wèn)題有待進(jìn)一步的發(fā)展和推廣，這些都需要商品廠家、智能手機(jī)生產(chǎn)商、政府相關(guān)職能部門(mén)和消費(fèi)者的防偽意識(shí)等諸多方面的協(xié)作才能有效實(shí)施。

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RESEARCHANDAPPLICATIONOFSECURITYAUTHENTICATIONSYSTEMBASEDONRFIDANDNFCTECHNOLOGY

Jiang Hui1Sun Linjuan1Zhang Xinrong21

(DepartmentofComputerScienceandTechnology,TianjinUniversityRenaiCollege,Tianjin301636,China)2(SchoolofComputerScienceandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Facing the present security authentication methods in the commodity market, based on RFID and NFC technology, this paper puts forward a relatively complete security authentication system plan, and designs and implements a security authentication system prototype. With RFID radio frequency tag as the information carrier, mobile phone NFC device as a radio frequency tag reader, together with the application system of database center, the system can be used as a tool to test the authentication of commodities. Moreover, the system adopts JavaEE platform for design and development. It has certain reference and guiding significance for enterprises to carry out anti-counterfeit certification of goods in terms of ideas and techniques.

NFC RFID Security authentication Radio frequency identification Electronic tag

TP311

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.09.062

2017-03-22。蔣輝，講師，主研領(lǐng)域：軟件工程，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)處理，企業(yè)信息化。孫林娟，講師。張新榮，教授。