基于Hash函數(shù)的RFID雙向認證協(xié)議

高華 黃穩(wěn)定 魯俊

摘要：為了改善RFID無線傳感網(wǎng)絡(luò)中讀寫器與標簽之間安全隱私容易泄漏的問題，在現(xiàn)有安全協(xié)議研究基礎(chǔ)上，提出一種改進的RFID雙向認證協(xié)議。該協(xié)議包含讀寫器、電子標簽雙重認證，通過安全性檢測可以有效抵御重傳攻擊、竊聽、位置跟蹤、非法讀取以及假冒攻擊等不安全問題，具有成本低、效率高、安全性好等優(yōu)點。通過對協(xié)議建立理想化模型，利用BAN邏輯形式化分析方法從理論上證明其安全性。通過軟件仿真模擬RFID系統(tǒng)，對讀寫器和標簽的雙向認證進行仿真測試，證明了協(xié)議的實用性。

關(guān)鍵詞：射頻識別;安全認證協(xié)議;安全性分析;BAN邏輯;軟件仿真

RFID Mutual Authentication Protocol Based on Hash Function

GAO Hua?HUANG Wen?ding?LU Jun

（1.Academic Affairs Office，University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China;

2.The Third Institute， Ministry of Public Security，Shanghai 201204， China;

3.Shanghai Electric Central Research Institute， Shanghai 200070， China）

Abstract：In order to improve issue of easy leak of privacy between readers and tags in RFID wireless sensor networks， an improved RFID bidirectional authentication protocol is proposed based on the existing security protocols. The protocol includes dual authentication of the reader and the tag， and it can effectively resist location tracking， retransmission attacks， eavesdropping and illegal reading and counterfeiting attacks and other unsafe problems through security analysis with advantages of low cost， high efficiency and high security advantages. BAN logic formalization analysis is used to prove the security of the protocol in theory by establishing an idealized model of the protocol. The two?way authentication of the reader and the tag is simulated by software simulation， which demonstrates the practicability of the protocol.

Key Words：radio frequency identification;security authentication protocol;security analysis;BAN logic; software simulation

0?引言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種利用電磁耦合或者電磁發(fā)射實現(xiàn)無接觸信息傳遞，從而實現(xiàn)對目標對象信息數(shù)據(jù)的獲取和自動識別[1]。RFID技術(shù)能快速、穩(wěn)定、可靠地采集數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進行加工，完成響應(yīng)，已在生活中多個領(lǐng)域得到了應(yīng)用并充分突顯出其強大的實用價值。針對可變RFID系統(tǒng)的安全問題，很多國內(nèi)外學(xué)者已進行大量研究并提出相應(yīng)的解決方案，促進了RFID系統(tǒng)安全問題研究的發(fā)展[2]。認證方案主要分為兩大類：一類是物理安全機制，其是使用物理方法完善RFID系統(tǒng)安全性問題的機制;另一類是認證安全機制，其是使用成熟的密碼體制以設(shè)計滿足RFID系統(tǒng)安全性的認證協(xié)議。

Hash?Lock協(xié)議是由Sarma等[3?4]提出的一種安全協(xié)議，但很容易受到位置追蹤、重傳攻擊和假冒攻擊。Weis等[5?6]提出一種隨機化Hash?Lock安全協(xié)議。RFID系統(tǒng)在每一次認證時，讀寫器需要請求后端數(shù)據(jù)庫保存的全部標簽ID，導(dǎo)致隨機化Hash?Lock很難在實際生產(chǎn)中廣泛使用。Hash鏈協(xié)議是由NTT實驗室提出的一種基于共享秘密的安全協(xié)議[7]。由于RFID系統(tǒng)標簽需要嵌入2個不同的哈希函數(shù)，一個用于認證請求響應(yīng)，一個用于秘密值更新，因此增加了RFID系統(tǒng)標簽的制造成本。曾麗華等[8]提出一種 “Key值更新隨機Hash鎖對RFID安全隱私的加強” 安全認證協(xié)議。RFID系統(tǒng)標簽需要嵌入2種不同的哈希函數(shù)，一個用于讀寫器認證響應(yīng)，一個用于隨機關(guān)鍵字更新，增加了標簽制造成本[9]。

針對前人對RFID系統(tǒng)研究存在的不足，本文提出一種新的基于共享密鑰Hash函數(shù)的RFID雙向認證協(xié)議，采用雙向認證和向前安全檢驗，在防止位置跟蹤、防重傳攻擊和假冒攻擊方面做了新的工作，能夠有效防止竊聽與非法讀取，同時該協(xié)議具有系統(tǒng)低復(fù)雜性和低成本的優(yōu)點。使用BAN邏輯和軟件進行仿真實驗，結(jié)果證明了協(xié)議的適用性和安全性。

1?RFID簡介

1.1?RFID系統(tǒng)構(gòu)成

RFID系統(tǒng)一般由三大部分構(gòu)成：RFID標簽、RFID讀寫器以及后端數(shù)據(jù)庫[10?11]。RFID系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1所示。

（1）RFID標簽。主要由無線通信天線及芯片組成，通過在電子標簽中存儲需要被識別物品的相關(guān)信息，以標識和分類不同物品。

（2）RFID讀寫器。讀寫器包含無線通信天線、射頻接口和邏輯控制單元3個主要組成部分，主要實現(xiàn)與電子標簽之間的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出和寫入。

（3）后端數(shù)據(jù)庫。對讀寫器轉(zhuǎn)發(fā)過來的全部電子標簽相關(guān)信息進行集中統(tǒng)計與分析，并通過特定的安全信道反饋給讀寫器。

1.2?RFID安全隱私需求

RFID技術(shù)在方便人們生活的同時，也帶來諸多安全隱患，造成RFID系統(tǒng)出現(xiàn)安全隱私問題的根本原因是RFID系統(tǒng)應(yīng)用完全開放。RFID系統(tǒng)面臨的具體安全問題主要包括：重傳攻擊、位置跟蹤、竊聽與非法讀取、假冒攻擊[12]。能否抵御重傳攻擊等安全威脅，通常被用作評價RFID系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議安全性的重要指標[13]。

1.3?基于Hash函數(shù)的RFID安全認證協(xié)議

基于Hash函數(shù)的RFID安全認證協(xié)議是劉明生等[14]提出的一種安全認證協(xié)議。標簽存儲IDt，讀寫器存儲IDr，后臺數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)全部標簽和讀寫器的記錄對（IDt， H（IDt））、（IDr， H（IDr）），其中H是哈希函數(shù)。在每次標簽認證過程中，假設(shè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中存儲N標簽，認證時后臺服務(wù)器需要執(zhí)行2次記錄搜索、1次Hash 函數(shù)運算。讀寫器需要生成一個隨機數(shù)、執(zhí)行2次Hash函數(shù)運算，相比而言增加了讀寫器計算能力需求[15]。標簽需要執(zhí)行1次數(shù)值比較和3次Hash函數(shù)計算。RFID系統(tǒng)中添加了異或操作，同時增加了系統(tǒng)制造成本。

2?基于共享秘密Hash函數(shù)的RFID安全認證協(xié)議

通過對基于Hash函數(shù)的RFID安全認證協(xié)議的深入學(xué)習(xí)與研究[16?17]，針對其中存在的一些不足與安全隱患，本文提出一種新的改進型安全認證協(xié)議——基于共享秘密Hash函數(shù)的RFID安全認證協(xié)議。協(xié)議包含讀寫器、電子標簽的雙重認證，仿真實驗結(jié)果證明該協(xié)議能夠有效提高RFID認證的安全性[18]。

2.1?協(xié)議原理

標簽存儲ID、S和H（ID||S），認證前鎖定標簽。將所有標簽數(shù)據(jù)對（ID、S、H（ID||S））存儲到后端數(shù)據(jù)庫，并將隨機數(shù)生成器嵌入到后端數(shù)據(jù)庫中。ID是唯一標識，S是認證前系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的秘密值，Hash（ID||S）為ID||S的單向Hash函數(shù)，其中S與Hash（ID||S）會因隨機數(shù)的不同而不斷更新。協(xié)議流程如圖2所示。

2.2?認證步驟

安全協(xié)議步驟如下：

（1）后端數(shù)據(jù)庫生成隨機數(shù)R并發(fā)送給讀寫器。

（2）讀寫器向標簽發(fā)出Query、R認證請求。

（3）標簽計算H（ID||R||S），然后將（H（ID||R||S）、H（ID||S））數(shù)據(jù)對發(fā)送給讀寫器，并自行計算ST=H（R||S）、H（ID||ST）。

（4）讀寫器將接收到的標簽信息轉(zhuǎn)發(fā)到后端數(shù)據(jù)庫。

（5）后端數(shù)據(jù)庫根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，搜索是否存在（IDj，S，H（IDj||S））的H（IDj||S）與讀寫器轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)H（ID||S）相同。若相同，則根據(jù)該組的IDj、S計算H（IDj||R||S），并與讀寫器轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)H（ID||R||S）比較是否一致。若一致，則進行下一步，否則標簽認證失敗。

（6）后端數(shù)據(jù)庫計算SDB=H（R||S）、H（ID||SDB）、H（IDj||R||SDB），并通過讀寫器將H（ID?j||R||SDB）轉(zhuǎn)發(fā)給標簽。后端數(shù)據(jù)庫使用SDB和H（ID||SDB）替換相應(yīng)的S和H（ID||S）。

（7）計算H（ID||R||ST），同時與讀寫器轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)H（IDj||R||SDB）比較是否一致。若一致，則讀寫器認證成功，標簽使用ST、H（ID||ST）替換相應(yīng)的S、H（ID||S），否則讀寫器認證失敗。

3?實驗與分析

3.1?數(shù)值實驗

假設(shè)認證前數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)記錄了5個標簽，ID分別為1、2、3、4、5，S分別為a、b、c、d、e，H（ID||S）分別為H（1||a）、H（2||b）、H（3||c）、H（4||d）、H（5||e），認證前數(shù)據(jù)庫標簽信息如表1所示。

假設(shè)讀寫器需要對ID為1的標簽進行認證，那么數(shù)值實驗的認證步驟如下：

（1）假設(shè)后臺數(shù)據(jù)庫生成隨機數(shù)7，并將其發(fā)送到讀寫器。

（2）讀寫器發(fā)送認證請求和隨機數(shù)7到標簽。

（3）標簽根據(jù)自身的唯一標識ID、哈希函數(shù)H和共享秘密值S計算H（ID||R||S），并將結(jié)果（H（1||7||a）、H（1||a））數(shù)據(jù)對響應(yīng)給讀寫器。

（4）讀寫器將（H（1||7||a）、H（1||a））數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)發(fā)到后臺服務(wù)器。

（5）后臺數(shù)據(jù)庫根據(jù)H（1||a）檢索數(shù)據(jù)庫H（ID||S）列記錄，找到ID等于1、S等于a的記錄，然后計算H（1||7||a），并與讀寫器轉(zhuǎn)發(fā)過來的H（1||7||a）對比是否一致。如果不一致，則標簽認證失敗，一致則標簽認證通過，繼續(xù)向下運行。

（6）后臺數(shù)據(jù)庫計算H（7||a）、H（1||H（7||a））、H（1||7||H（7||a）），使用H（7||a）替換數(shù)據(jù)庫ID為1的S列，使用H（1||H（7||a））替換數(shù)據(jù)庫ID為1的H（ID||S）列，并將H（1||7||H（7||a））發(fā)送給讀寫器。

（7）讀寫器將H（1||7||H（7||a））轉(zhuǎn)發(fā)給標簽。

（8）標簽計算H（7||a）、H（1||H（7||a））、H（1||7||H（7||a）），比較H（1||7||H（7||a））與讀寫器轉(zhuǎn)發(fā)過來的H（1||7||H（7||a））數(shù)據(jù)是否相等。如果相等，則讀寫器認證通過，并使用H（7||a）替換S，使用H（1||H（7||a））替換H（ID||S），否則讀寫器認證失敗。認證完成后數(shù)據(jù)庫標簽記錄如表2所示。

3.2?協(xié)議安全性分析

每個表均需要標注如下：

（1）雙向認證。通過后端數(shù)據(jù)庫比較H（IDj||R||S）與H（ID||R||S）是否相等，通過標簽比較H（ID||R||ST）與H（IDj||R||SDB）是否相等，實現(xiàn)RFID系統(tǒng)合法身份的雙向認證。

（2）向前安全。由于共享秘密值S、隨機數(shù)R的可變性和Hash函數(shù)的單向性，即使非法獲取了H（ID||R||S）和H（ID||S）的值，也無法回溯標簽之前的相關(guān)信息。

（3）防位置跟蹤。由于共享秘密值S和隨機數(shù)R是動態(tài)變化與實時更新的，因此標簽每一次回答讀寫器詢問值H（ID||R||S）和H（ID||S）也是不等的，可以防止攻擊者按照RFID系統(tǒng)標簽特定的響應(yīng)進行定位跟蹤。

（4）防重傳攻擊。每次秘密數(shù)S是變化的，攻擊者即使竊聽到合法讀寫器前面發(fā)送的H（ID?j||R||SDB）、合法標簽前面發(fā)送的H（ID||S）和H（ID||R||S），也無法再次模擬出H（ID?j||R||SDB）或H（ID||S）和H（ID||R||S）的值，有效防止了重傳攻擊。

（5）防竊聽與非法讀取。標簽ID經(jīng)過Hash函數(shù)加密后，即使在非安全信道傳播，非法用戶也無法竊聽到標簽的真實ID信息。

（6）防假冒攻擊。因為在每次認證過程完成后，都對標簽共享秘密值S和服務(wù)器共享秘密值S進行了更新，所以攻擊者無法偽造秘密值S。攻擊者偽造的標簽響應(yīng)與真實H（ID||S）和H（ID||R||S）不一致，因此無法通過讀寫器認證。讀寫器響應(yīng)的H（ID?j||R||SDB）與攻擊者偽造的讀寫器響應(yīng)不同，所以不會通過標簽認證。

（7）低復(fù)雜性、低成本。將較為復(fù)雜的隨機數(shù)產(chǎn)生器等運算轉(zhuǎn)移到RFID系統(tǒng)后端數(shù)據(jù)庫中，降低了RFID系統(tǒng)標簽的復(fù)雜性，并且在標簽中只嵌入一個哈希運算，同時又減少了RFID系統(tǒng)成本。

由此得出，基于Hash函數(shù)的RFID安全認證協(xié)議安全性能比較如表3所示。表3中以“×”表示不符合安全，以“√”表示符合安全。

3.3?BAN邏輯安全分析

3.3.1?慣性權(quán)重自適應(yīng)調(diào)整

BAN邏輯分析時，假設(shè)讀寫器和后端數(shù)據(jù)庫是主體A，標簽是主體B。協(xié)議中S表示預(yù)共享秘密值，R表示后端數(shù)據(jù)庫生成的隨機數(shù)，ID?i和ID?t分別是后端數(shù)據(jù)庫與標簽中存放的唯一標識[19?20]。協(xié)議初始化假設(shè)如下：

3.3.2?理想化模型、邏輯規(guī)則及安全目標

在進行BAN分析時，可以抽象并省略掉與協(xié)議安全性分析間接相關(guān)的邏輯部分，只保留與協(xié)議安全性分析直接相關(guān)的邏輯部分，協(xié)議的理想化模型如下：

A{R，ID?t}?s（7）

B{R，ID?i}?s（8）

可能用到的邏輯規(guī)則包括消息含義規(guī)則、新鮮規(guī)則、隨機數(shù)驗證規(guī)則、仲裁規(guī)則，分別如式（9）、式（10）、式（11）、式（12）所示。

安全目標為：

3.3.3?分析推理及結(jié)論

（1）?證明?A|≡ID?t?。

步驟一：由假設(shè)條件式（1）、理想化模型式（7）、消息含義規(guī)則式（9），可推導(dǎo)出式（15）。

步驟二：由假設(shè)條件式（3）、新鮮規(guī)則式（10）可推導(dǎo)出式（16）。

步驟三：由隨機數(shù)驗證規(guī)則式（11）可推導(dǎo)出式（17）。

步驟四：由假設(shè)條件式（5）、仲裁規(guī)則式（12），推導(dǎo)出目標結(jié)果：?A|≡ID?t?。

（2）證明?B|≡ID?i?。

步驟一：由假設(shè)條件式（2）、理想化模型式（8）、消息含義規(guī)則式（9），可推導(dǎo)出式（18）。

步驟二：由假設(shè)條件式（4）、新鮮規(guī)則式（10），可推導(dǎo)出式（19）。

步驟三：由隨機數(shù)驗證規(guī)則式（11），可推導(dǎo)出式（20）。

步驟四：由假設(shè)條件式（6）、仲裁規(guī)則式（12），推導(dǎo)出目標結(jié)果：?B|≡ID?i?。

由上可推導(dǎo)出本文協(xié)議的安全目標?A|≡ID?t和B|≡ID?i?。因此，本文提出的安全協(xié)議能夠有效實現(xiàn)RFID標簽和讀寫器雙向認證的安全目標。

3.4?仿真實驗與分析

為驗證基于共享秘密Hash函數(shù)的RFID雙向認證協(xié)議的安全性和適用性，選用計算機軟件模擬該協(xié)議進行仿真實驗。

3.4.1?仿真實驗系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本文開發(fā)的仿真實驗系統(tǒng)，主要以Eclipse作為系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，采用JavaSE?1.8開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，用MD5對通信數(shù)據(jù)進行加密。系統(tǒng)主要包括3個模塊： 標簽、后臺服務(wù)器和讀寫器，各模塊間通過TCP/IP通信。通過仿真實驗軟件模擬真實環(huán)境的RFID系統(tǒng)，并使用改進算法實現(xiàn)安全協(xié)議的認證過程。標簽?zāi)K與讀寫器模塊之間使用TCP/IP通信模擬射頻通信，標簽?zāi)K與讀寫器模塊之間的通信信道為向前信道。圖3為仿真實驗系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。

3.4.2?協(xié)議報文設(shè)計

根據(jù)IP報文的設(shè)計思想，可將協(xié)議報文格式設(shè)計如下：報文首部的控制信息占3個字節(jié)，首字節(jié)表示協(xié)議的版本信息，第二個字節(jié)表示指令類型，第三個字節(jié)表示指令長度;控制信息部分之后就是實際的有效數(shù)據(jù)，即0個或多個數(shù)據(jù)字節(jié)。協(xié)議的報文格式如圖4所示。

根據(jù)協(xié)議的認證過程，協(xié)議將發(fā)送和接收的報文分為6類，如表4所示。

3.4.3?仿真結(jié)果與分析

首先在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置需要認證的標簽信息，然后通過綁定、監(jiān)聽與連接端口，建立后臺服務(wù)器、讀寫器和標簽?zāi)K的通信鏈路，接下來選擇一個合法的讀寫器和標簽，并從后臺服務(wù)器模塊開始執(zhí)行安全協(xié)議認證。完成一次安全協(xié)議認證，其后臺服務(wù)器模塊如圖5示，讀寫器模塊如圖6示，標簽?zāi)K如圖7示。

當(dāng)讀寫器和標簽認證通過后，會生成新的秘密值S和H（ID||S），替換數(shù)據(jù)庫標簽信息表中相應(yīng)的記錄。認證前和認證后“合法標簽1”的記錄如表5所示。

從協(xié)議認證過程可以看出，后臺服務(wù)器模塊實現(xiàn)了對合法標簽的安全認證，標簽?zāi)K也實現(xiàn)了對合法讀寫器的安全認證，達到了協(xié)議雙向認證的安全目標。

4?結(jié)語

本文通過分析目前典型的RFID安全認證協(xié)議，基于RFID系統(tǒng)制造成本和安全隱私問題的相關(guān)性，提出一種新的基于Hash函數(shù)的RFID動態(tài)認證協(xié)議，設(shè)計了相應(yīng)的模擬認證過程，從不同角度對協(xié)議的性能進行分析，并使用形式分析方法BAN邏輯證明了新協(xié)議的安全性，最后在Eclipse環(huán)境下對該協(xié)議進行軟件模擬仿真實驗，對標簽和讀寫器的雙向認證過程進行仿真實驗。通過理論分析和實驗?zāi)M仿真，結(jié)果表明本文提出的基于Hash函數(shù)的RFID動態(tài)認證協(xié)議可以改善多種RFID安全隱私泄漏問題，并且資源占用率、系統(tǒng)復(fù)雜性以及RFID系統(tǒng)硬件要求均保持在可接受范圍之內(nèi)，是一種可行的安全認證協(xié)議。本文實驗是在理想條件下進行的，沒有考慮到實際應(yīng)用中的干擾因素，未來可在實驗驗證中加入干擾因素，驗證其在實際應(yīng)用中的價值。

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