一種改進(jìn)的RFID雙向認(rèn)證協(xié)議

◆鄭欣

一種改進(jìn)的RFID雙向認(rèn)證協(xié)議

◆鄭欣

（南京審計(jì)大學(xué)金審學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 210046）

通過研究RFID認(rèn)證協(xié)議，發(fā)現(xiàn)了一些安全問題，對(duì)此提出了一種基于hash函數(shù)的雙向認(rèn)證協(xié)議。該協(xié)議通過隨機(jī)數(shù)和秘密值的計(jì)算來完成數(shù)據(jù)庫(kù)、標(biāo)簽和讀卡器之間的認(rèn)證，有效防止了竊聽、重放攻擊、假冒攻擊等常見攻擊。

RFID；Hash函數(shù)；安全分析；Hash-lock

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)[1]又稱為“電子標(biāo)簽”，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，能夠通過射頻信號(hào)來自動(dòng)的識(shí)別目標(biāo)并獲取相應(yīng)的重要數(shù)據(jù)。RFID技術(shù)目前運(yùn)用非常廣泛，在對(duì)RFID協(xié)議進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)還是存在一些安全問題的。所以，本文通過分析總結(jié)目前各類RFID認(rèn)證協(xié)議，對(duì)比之間的執(zhí)行過程及優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的基于Hash函數(shù)的 RFID雙向認(rèn)證協(xié)議。

1 RFID簡(jiǎn)介

1.1 RFID基本概念

（1）讀卡器：讀寫標(biāo)簽信息的手持式或固定設(shè)備[2]。

（2）電子標(biāo)簽：由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽都具有一個(gè)不可修改的唯一標(biāo)識(shí)符—UID。用戶數(shù)據(jù)存放于用戶數(shù)據(jù)區(qū)（DATA）中，可以進(jìn)行讀寫、增加等操作[2]。

（3）天線：主要用于標(biāo)簽和讀卡器之間傳遞射頻信號(hào)的設(shè)備[2]。

（4）應(yīng)用系統(tǒng)：集中統(tǒng)計(jì)和分析讀卡器轉(zhuǎn)發(fā)的所有電子標(biāo)簽信息，通過安全信道反饋給讀卡器[6]。

1.2 RFID安全性分析

RFID技術(shù)為人們生活提供了便利，同時(shí)由于RFID系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用的完全開放為系統(tǒng)帶來了諸多安全隱患。一般來說，RFID受到的安全威脅主要分為物理環(huán)境威脅和黑客攻擊威脅。①物理環(huán)境威脅：如電磁干擾、設(shè)備妨礙等；②黑客攻擊威脅：如假冒攻擊、竊聽攻擊、跟蹤攻擊等。

2 RFID安全認(rèn)證協(xié)議

2.1 Hash-lock協(xié)議

Hash-lock協(xié)議[9]是Sarma等人提出的一種安全協(xié)議。其協(xié)議使用密鑰key的hash函數(shù)meta ID來代替標(biāo)簽的真實(shí)ID。

如圖1所示：

圖1 Hash-lock協(xié)議認(rèn)證過程

Hash-lock協(xié)議認(rèn)證過程如下：

（1）讀卡器向標(biāo)簽發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求。

（2）標(biāo)簽把自身的meta ID發(fā)送給讀卡器，meta ID=H（key），H（*）表示哈希函數(shù)。

（3）讀卡器再把meta ID發(fā)送給數(shù)據(jù)庫(kù)。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)搜索meta ID對(duì)應(yīng)的key和ID，如果找到key和ID則表示標(biāo)簽過來的信息認(rèn)證成功，將key和ID發(fā)送給讀卡器，如果找不到則表示認(rèn)證失敗。

（5）讀卡器把收到的key和ID后，保存ID，把key發(fā)送給標(biāo)簽。標(biāo)簽收到key以后，計(jì)算H（key）是否等于自身的meta ID，如果相同表示數(shù)據(jù)庫(kù)過來的認(rèn)證成功，把自身ID發(fā)送給讀卡器，如果不相同則認(rèn)證失敗。

（6）標(biāo)簽把自身的ID發(fā)送給讀卡器，讀卡器把2個(gè)ID進(jìn)行比較，如果相同則認(rèn)證成功，不相同認(rèn)證失敗。

Hash-lock協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)：協(xié)議的硬件電路相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，適合低功耗標(biāo)簽使用。

Hash-lock協(xié)議的缺點(diǎn)[4]：為了隱藏標(biāo)簽ID，協(xié)議使用meta ID代替真實(shí)的標(biāo)簽ID，但是由于以明文形式傳送metaID的哈希值，并且哈希值一直保持不變，因此在認(rèn)證的過程中還是容易遭受到假冒攻擊、竊聽、重放以及位置跟蹤等多種威脅。

2.2 隨機(jī)Hash-lock協(xié)議

針對(duì)Hash-lock協(xié)議存在的一些安全問題，由Weis等人提出了隨機(jī)hash-Lock協(xié)議[10]，該協(xié)議通過添加隨機(jī)數(shù)的方法改進(jìn)了Hash-lock協(xié)議，如圖2所示。

圖2 隨機(jī)Hash-lock協(xié)議認(rèn)證過程

隨機(jī)Hash-lock協(xié)議的認(rèn)證過程如下：

（1）讀卡器向標(biāo)簽發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求。

（2）標(biāo)簽收到請(qǐng)求后產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)R，通過哈希算法算出一個(gè)值H（IDk|| R），IDk為標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)，標(biāo)簽把R和hash的值一起發(fā)給讀卡器。

（3）讀卡器向數(shù)據(jù)庫(kù)索要所有的標(biāo)簽標(biāo)識(shí)（ID1，ID2，ID3，…，IDn）。J表示（1，2，3，…，n）中的某一個(gè)ID標(biāo)識(shí)。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)將所有的標(biāo)簽標(biāo)識(shí)發(fā)給讀卡器。讀卡器通過哈希算法計(jì)算出H（IDj|| R），如果其值等于H（IDk|| R），認(rèn)證成功。

（5）如果認(rèn)證成功，讀卡器會(huì)把IDj發(fā)送給標(biāo)簽。

（6）標(biāo)簽對(duì)比IDj和IDk是否相同，相同認(rèn)證成功，不相同認(rèn)證失敗。

隨機(jī)Hash-lock協(xié)議存在的安全問題：在協(xié)議的認(rèn)證過程中可以發(fā)現(xiàn)在第⑤步中傳遞ID時(shí)仍然是以明文形式進(jìn)行了傳遞，攻擊者同樣也可以輕易獲取到標(biāo)簽的真實(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)在協(xié)議第④步中，僅僅針對(duì)一個(gè)標(biāo)簽的認(rèn)證，后端數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)將所有的標(biāo)簽ID全部發(fā)給讀卡器，一方面加大了數(shù)據(jù)庫(kù)與讀卡器之間的通信開銷，另一方面也增加了讀卡器搜索驗(yàn)證的計(jì)算開銷，對(duì)于大量標(biāo)簽的RFID協(xié)議來說顯然不太適用[5]。

2.3 hash鏈協(xié)議

Hash鏈協(xié)議[11]是由NTT提出的，是對(duì)Hash-lock協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，是基于共享密鑰的詢問應(yīng)答協(xié)議。過程如圖3所示。

Hash鏈協(xié)議引入了標(biāo)簽ID的動(dòng)態(tài)更新機(jī)制[3]，使標(biāo)簽的信息不可分辨，但是我們可以發(fā)現(xiàn)協(xié)議只是對(duì)標(biāo)簽身份進(jìn)行了合法認(rèn)證，對(duì)讀卡器的身份并沒有進(jìn)行有效的認(rèn)證。因此這種單向的認(rèn)證容易遭受到非法讀卡器的攻擊，從而產(chǎn)生較大的安全隱患。除此之外hash鏈協(xié)議仍然存在大量標(biāo)簽ID的發(fā)送和接收，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和讀卡器都會(huì)有較大的計(jì)算開銷。

圖3 hash鏈協(xié)議認(rèn)證過程

3 RFID雙向認(rèn)證協(xié)議的設(shè)計(jì)

通過上述幾種協(xié)議的分析和研究，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有幾種安全認(rèn)證協(xié)議存在的問題，基于上述分析，本文提出了一種改進(jìn)的基于hash函數(shù)的RFID雙向認(rèn)證安全協(xié)議，基本能夠達(dá)到安全目標(biāo)。

3.1 設(shè)計(jì)的原理

標(biāo)簽有秘密值S和隨機(jī)數(shù)Rt，數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)Rd，通過哈希算法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和標(biāo)簽中的值進(jìn)行比較，完全相同時(shí)表示認(rèn)證成功。協(xié)議認(rèn)證過程如圖4。

圖4 RFID雙向協(xié)議認(rèn)證過程

3.2 協(xié)議認(rèn)證過程

（1）當(dāng)讀卡器向標(biāo)簽發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)立即產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)Rd，讀卡器把Rd發(fā)送給標(biāo)簽。

（2）標(biāo)簽本身有一個(gè)S秘密值，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)Rt，標(biāo)簽會(huì)將ID和Rd進(jìn)行哈希得到一個(gè)數(shù)值，再和S進(jìn)行異或最終得到數(shù)值St。

（3）標(biāo)簽將數(shù)值St和隨機(jī)數(shù)Rt一起發(fā)給讀卡器，讀卡器再轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)庫(kù)。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)接收到消息以后會(huì)去檢索系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是否存在某個(gè)IDj（1≤j≤n），使H（IDj|| Rd）⊕S=St是否成立，如果不等于則認(rèn)證失敗。如果等于，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)根據(jù)IDj和Rt的哈希值與S異或得到Sd。

（5）通過讀卡器把Sd傳給標(biāo)簽。

（6）標(biāo)簽收到信息后計(jì)算St=H（ID || Rt）⊕S，如果其值等于Sd，則認(rèn)證成功。

3.3 協(xié)議的安全分析

（1）向前安全性

由于隨機(jī)數(shù)Rd和Rt，秘密值S都是可變的，所以即使黑客獲取到了St的值也查不出標(biāo)簽之前的運(yùn)作數(shù)據(jù)。

（2）雙向認(rèn)證

在數(shù)據(jù)庫(kù)通過哈希算法[7]比較H（IDj|| Rd）⊕S和H（ID || Rd）⊕S是否相同，以及在標(biāo)簽中通過哈希算法比較H（IDj|| Rt）⊕S和H（ID || Rt）⊕S是否相同，實(shí)現(xiàn)協(xié)議的雙向認(rèn)證。

（3）防位置跟蹤

由于Rd和秘密值S是隨機(jī)的，所以每次St的值也是可變的，有效防止了位置跟蹤。

（4）防竊聽

標(biāo)簽ID值并沒有在傳輸消息的過程中出現(xiàn)，所以非法用戶無法竊聽到標(biāo)簽的真實(shí)ID。

（5）防重傳攻擊

由于秘密值S的可變性，黑客不能再次模擬出數(shù)值Sd，有效的防止了重傳攻擊。

（6）防假冒攻擊

假如非法者用非法標(biāo)簽[8]偽裝成合法標(biāo)簽，并使用非法算法返回給讀卡器認(rèn)證，由于數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)Rd和秘密值S可變，計(jì)算出來的St的值和偽裝的St值不會(huì)相同，所以標(biāo)簽無法通過讀卡器的認(rèn)證。

3.4 安全協(xié)議的比較

如表1所示，列出了幾種協(xié)議和本文協(xié)議進(jìn)行的比較。

表1 協(xié)議安全性對(duì)比

4 結(jié)語

本文通過分析和比較三種現(xiàn)有RFID安全認(rèn)證協(xié)議，提出了一種改進(jìn)的基于Hash函數(shù)的RFID雙向認(rèn)證協(xié)議，基本滿足了安全目標(biāo)，有效克服已有認(rèn)證協(xié)議的諸多缺陷，對(duì)設(shè)計(jì)高效的、安全的、低成本的RFID認(rèn)證協(xié)議具有比較重要的理論指導(dǎo)意義。

[1]周永彬，馮登國(guó).RFID安全協(xié)議的設(shè)計(jì)與分析[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2006.

[2]王旭宇，景鳳宣，王雨晴.一種基于Hash函數(shù)的RFID認(rèn)證改進(jìn)協(xié)議[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2014.

[3]周曄.基于Hash鏈的RFID雙向認(rèn)證協(xié)議的設(shè)計(jì)[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2014.

[4]丁振華，李錦濤，馮波.基于Hash 函數(shù)的RFID安全認(rèn)證協(xié)議研究[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2009.

[5]張兵，馬新新，秦志光.輕量級(jí)RFID雙向認(rèn)證協(xié)議設(shè)計(jì)與分析[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013.

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[7]王家超.一種基于雙向Hash認(rèn)證協(xié)議的RFID標(biāo)簽動(dòng)態(tài)管理設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)碩士論文，2017.

[8]石春華.一種基于Hash函數(shù)的RFID安全認(rèn)證協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 電子科技大學(xué)碩士論文，2013.

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[10]Security and privacy aspects of low-cost radio frequency identification systems. Weis S.A，Sarma S.E，Rivest R.L，Engels D.W. Proceedings of the1st International Conference on Security in Pervasive Computing，2004.

[11]Hash-chain based forward-secure privacy protection scheme for low-cost RFID. OHKUBO M，SUZUKI K，KINOSHITA S. Proceedings of the2004Sy mposium on Cr y ptog raphy and Information Security，2004.