一種基于Hash函數(shù)的RFID雙向認(rèn)證協(xié)議

關(guān)輝

摘 要：RFID技術(shù)近年來發(fā)展迅速，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但隨之而來的各種安全問題也越來越突出。現(xiàn)有的一些RFID系統(tǒng)安全方案都存在著一定的缺陷，不能很好地解決安全問題。通過對一些典型安全方案的分析，提出了一種基于Hash函數(shù)的雙向認(rèn)證協(xié)議，并對其進(jìn)行了性能分析。該協(xié)議能夠更好地保護(hù)用戶隱私，實(shí)現(xiàn)了更高的安全性。

關(guān)鍵詞：射頻識別；認(rèn)證協(xié)議；Hash函數(shù)；安全方案

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）在閱讀器和電子標(biāo)簽之間實(shí)現(xiàn)無接觸的信息傳遞，并可通過所傳遞的信息達(dá)到自動(dòng)識別的目的[1]。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，RFID產(chǎn)品的成本正不斷降低，RFID技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛。但隨之而來的各種安全問題也日益嚴(yán)峻，并逐漸成為制約RFID進(jìn)一步推廣應(yīng)用的重要因素。因此，必須開發(fā)出一種高效、可靠和具備一定強(qiáng)度的安全技術(shù)，來解決RFID的安全問題。

1 RFID系統(tǒng)面臨的安全威脅

基本的RFID系統(tǒng)主要由讀寫器（Reader）和標(biāo)簽（Tag）兩部分組成。標(biāo)簽是由IC芯片和無線通信天線組成的微型電路，每個(gè)標(biāo)簽都具有唯一的電子編碼；讀寫器負(fù)責(zé)向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對標(biāo)簽的對象標(biāo)識信息進(jìn)行解碼，將對象標(biāo)識信息和標(biāo)簽上其它相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理[2]。由于標(biāo)簽和讀寫器之間的通信是非接觸和無線的，很容易造成一些安全問題。因此，RFID系統(tǒng)面臨的安全威脅主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）標(biāo)簽信息泄漏

沒有安全機(jī)制的電子標(biāo)簽會(huì)向鄰近的讀寫器泄露標(biāo)簽內(nèi)容和一些重要信息。由于低成本電子標(biāo)簽資源的有限性，它們普遍缺乏支持點(diǎn)對點(diǎn)加密和PKI密鑰交換的功能。在RFID系統(tǒng)應(yīng)用過程中，惡意攻擊者能夠讀取、篡改電子標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)。

（2）惡意跟蹤

在RFID系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽不用保存和傳輸大量信息，大量的數(shù)據(jù)都保存在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中。通常情況下標(biāo)簽只需要傳輸簡單的標(biāo)識符，通過該標(biāo)識符訪問數(shù)據(jù)庫即可獲得目標(biāo)對象的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息。因此，即使標(biāo)簽進(jìn)行加密后不知道標(biāo)簽內(nèi)容仍然可以通過固定的加密信息追蹤標(biāo)簽，得出標(biāo)簽的定位信息，從而進(jìn)一步推斷出標(biāo)簽持有者的行蹤。

2 現(xiàn)有安全方案

目前，實(shí)現(xiàn)RFID安全機(jī)制所采用的方法主要有兩大類：一類稱之為物理方法，另一類稱之為邏輯方法[3]。

2.1 物理方法

物理方法主要依靠外加硬件設(shè)備或硬件功能從而阻止標(biāo)簽與讀寫器之間的通信。目前主要的方法有：KILL標(biāo)簽、法拉第網(wǎng)罩和主動(dòng)干擾等。KILL標(biāo)簽是使標(biāo)簽失效，但標(biāo)簽破壞后無法重用；法拉第網(wǎng)罩可以屏蔽無線電波，但需增加硬件設(shè)備，提高了成本；主動(dòng)干擾法可以使用戶通過主動(dòng)發(fā)送信號來干擾附近讀寫器的操作，但可能導(dǎo)致非法干擾[4]。

2.2 邏輯方法

邏輯方法是一種基于加密認(rèn)證技術(shù)的安全機(jī)制，通過設(shè)計(jì)讀寫器與標(biāo)簽之間相互認(rèn)證的方案，來實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)的信息安全。目前，這種方法被更多地采用。具有代表性的主要有以下幾種方案：

（1）Hash鎖方案[5]

該方案使用metaID來代替標(biāo)簽真實(shí)ID。讀寫器存儲(chǔ)每個(gè)標(biāo)簽的訪問密鑰K，標(biāo)簽中存儲(chǔ)對應(yīng)的metaID，metaID=Hash（K），此時(shí)標(biāo)簽處于“加鎖”狀態(tài)。若要“解鎖”標(biāo)簽，讀寫器需要發(fā)送K值到標(biāo)簽，標(biāo)簽通過Hash函數(shù)計(jì)算出Hash（K），若該值與存儲(chǔ)的metaID匹配則解鎖，發(fā)送標(biāo)簽真實(shí)ID給讀寫器。

該方案可以提供訪問控制和標(biāo)簽數(shù)據(jù)隱私保護(hù)，但由于其metalID固定，且訪問密鑰K和標(biāo)簽ID以明文形式發(fā)送，易被跟蹤、偽造攻擊和重傳攻擊。

（2）隨機(jī)Hash鎖方案[5]

該方案是Hash鎖方案的擴(kuò)展。標(biāo)簽包含有Hash函數(shù)和偽隨機(jī)數(shù)生成器，讀寫器請求訪問標(biāo)簽時(shí)，標(biāo)簽用一對數(shù)據(jù)（r， Hash（IDi || r））響應(yīng)讀寫器的詢問，其中r是標(biāo)簽產(chǎn)生的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，Hash（IDi || r）是第i個(gè)標(biāo)簽的ID與隨機(jī)數(shù)r的Hash值。讀寫器收到響應(yīng)后，在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中遍歷所有標(biāo)簽ID和r的Hash值，如果找到匹配的則發(fā)送其ID“解鎖”標(biāo)簽。

該方案雖然解決了標(biāo)簽定位隱私問題，但標(biāo)簽的秘密信息一旦被截獲，侵犯者可以獲得訪問控制權(quán)并通過信息回溯得到標(biāo)簽歷史記錄，從而推斷出標(biāo)簽持有者的隱私。

（3）Hash鏈方案[6]

該方案采用一種鏈狀的Hash過程來加強(qiáng)安全。標(biāo)簽最初設(shè)置一個(gè)隨機(jī)的初始化標(biāo)識符S1，并包含兩個(gè)不同的Hash函數(shù)G和H，當(dāng)讀寫器請求標(biāo)簽時(shí)，標(biāo)簽返回當(dāng)前標(biāo)簽標(biāo)識符rk=G（Sk）給讀寫器，同時(shí)自動(dòng)更新標(biāo)識符Sk+1=H（Sk），讀寫器通過遍歷獲取匹配的值，完成驗(yàn)證。

該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)了自主ID更新，從而提供了前向安全性，但只能對標(biāo)簽身份進(jìn)行認(rèn)證，不能阻止重放攻擊和假冒攻擊。

3 基于Hash函數(shù)的雙向認(rèn)證協(xié)議

通過對RFID系統(tǒng)安全技術(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的RFID安全技術(shù)在不同程度上都存在著這樣那樣的缺陷。本文提出了一種基于Hash函數(shù)的雙向認(rèn)證協(xié)議。

在初始條件下，標(biāo)簽中包含一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)生成器和一個(gè)Hash函數(shù)，并保存有一個(gè)密鑰ki；讀寫器中也有一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)生成器和一個(gè)相同的Hash函數(shù)；后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中保存有每一個(gè)標(biāo)簽的密鑰集合K。

具體認(rèn)證過程如下：

（1）讀寫器生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)rr，發(fā)送給標(biāo)簽并向標(biāo)簽發(fā)出訪問請求。

（2）標(biāo)簽收到請求后，生成另一隨機(jī)數(shù)rt，并計(jì)算m=rtki，n=Hash（rt || rr），將m、n發(fā)回給讀寫器。

（3）讀寫器將m、n和rr發(fā)送給后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。

（4）遍歷后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中每一個(gè)密鑰k，計(jì)算r=km，判斷Hash（r || rr）是否等于n。若找到某個(gè)密鑰kj滿足條件，則停止計(jì)算并將kj發(fā)給讀寫器；若全部遍歷完后所有密鑰都無法滿足條件則認(rèn)證失敗。

（5）讀寫器收到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫發(fā)來的密鑰kj后，計(jì)算Hash（kj || rr || rt）并發(fā)給標(biāo)簽。

（6）標(biāo)簽計(jì)算Hash（ki || rr || rt）并與讀寫器發(fā)來的Hash值進(jìn)行比較，若相同則完成認(rèn)證。如圖1所示。

4 性能分析

（1）標(biāo)簽資源是RFID系統(tǒng)的瓶頸，本協(xié)議中標(biāo)簽僅需要存儲(chǔ)密鑰ki、隨機(jī)數(shù)rt和讀寫器發(fā)來的隨機(jī)數(shù)rr，涉及的運(yùn)算是兩次Hash運(yùn)算和一次異或運(yùn)算，并生成隨機(jī)數(shù)一次?？傮w來說對標(biāo)簽運(yùn)算能力要求不高，適合實(shí)際應(yīng)用。

圖1 基于Hash函數(shù)的雙向認(rèn)證協(xié)議認(rèn)證過程

（2）防非法讀?。簶?biāo)簽和讀寫器都需經(jīng)過身份認(rèn)證后才能交換數(shù)據(jù)，可有效防止非法讀取。

（3）防竊聽：認(rèn)證過程中所有傳遞的有用信息均經(jīng)過Hash函數(shù)加密或隨機(jī)數(shù)異或處理，可有效防止竊聽。

（4）防位置跟蹤：每次產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)都不相同，因此標(biāo)簽在每次通信中所傳輸?shù)南⒁捕际遣煌模捎行Х乐挂蚬潭ㄝ敵龆l(fā)的位置跟蹤問題。

（5）防偽裝哄騙和重放：隨機(jī)數(shù)在每次通信時(shí)都是不同的，攻擊者即使記錄下標(biāo)簽先前發(fā)出的信息，也無法模擬出下次標(biāo)簽發(fā)出的信息，可有效防止哄騙和重放攻擊。

（6）前向安全性：兩個(gè)隨機(jī)數(shù)在每次通信中均不同，即使攻擊者截取了某次標(biāo)簽的輸出，也無法根據(jù)該值推算出以前標(biāo)簽的輸出。

（7）雙向身份認(rèn)證：通過計(jì)算r=km并判斷Hash（r || rr）是否等于n，讀寫器實(shí)現(xiàn)了對標(biāo)簽的身份認(rèn)證；通過計(jì)算Hash（ki || rr || rt）并與Hash（kj || rr || rt）進(jìn)行匹配，標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)了對讀寫器的身份認(rèn)證。

5 結(jié) 語

本文在分析了RFID系統(tǒng)面臨的安全威脅和現(xiàn)有的安全方案后，針對一些典型安全方案的不足，提出了一種基于Hash函數(shù)的RFID雙向認(rèn)證協(xié)議。該協(xié)議應(yīng)用成本較低，標(biāo)簽負(fù)載較小，實(shí)現(xiàn)了讀寫器和標(biāo)簽之間的雙向身份認(rèn)證，可以保證前向安全性，在一定程度上為RFID系統(tǒng)提供了更好的安全隱私保護(hù)。

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