適用于供應(yīng)鏈的RFID讀寫器-標(biāo)簽雙向認(rèn)證協(xié)議

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：蔡韶穎 趙一鳴   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月15日

    0 引 言

    RFID技術(shù)是一種非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻信號(hào)的空間藕合(交變磁場或電磁場)實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別一個(gè)對(duì)象的目的，在供應(yīng)鏈管理、訪問控制、動(dòng)物追蹤等領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

    在供應(yīng)鏈管理中引入RFID系統(tǒng)，能夠提高供應(yīng)鏈的可視性，改善供應(yīng)鏈的操作效率，為整個(gè)供應(yīng)鏈提供高效的實(shí)時(shí)的信息，有效地預(yù)防偷盜、遺失和假冒的發(fā)生。供應(yīng)鏈中安全的標(biāo)簽和讀寫器間交互協(xié)議應(yīng)該滿足以下要求：只有合法的讀寫器才能從標(biāo)簽發(fā)送的信息中獲取其所屬物品的相關(guān)信息，只有合法的標(biāo)簽才能被讀寫器有效地識(shí)別，攻擊者不能跟蹤標(biāo)簽。

    文獻(xiàn)[1]提出了HashLock協(xié)議，使用匿名ID來保護(hù)標(biāo)簽的內(nèi)容，但是由于匿名ID是靜態(tài)的，因此標(biāo)簽不能抵抗跟蹤攻擊。文獻(xiàn)[2]使用Hash鏈來更新標(biāo)簽的秘密，然而該協(xié)議不能抵抗重傳攻擊，攻擊者可以假冒合法的標(biāo)簽。文獻(xiàn)[3]提出的數(shù)字圖書館RFID協(xié)議中，引入了基于樹的認(rèn)證協(xié)議的概念，這個(gè)方案雖然降低了后端服務(wù)器的搜索時(shí)間，但協(xié)議運(yùn)行的輪次大大提高，此外，標(biāo)簽上需存儲(chǔ)logn個(gè)秘密，由于logn-1個(gè)秘密是和其它標(biāo)簽共享，這個(gè)方案中很難實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽秘密的更新。文獻(xiàn)[1]提出了基于門限秘密共享的方案，解決了秘密分發(fā)的問題，對(duì)標(biāo)簽的成本需求最低，但是這個(gè)方案中標(biāo)簽不具備抗跟蹤性。

    除了以上幾種典型的協(xié)議，最近幾年，出現(xiàn)了大量的隨機(jī)化的詢問應(yīng)答雙向認(rèn)證協(xié)議，如文獻(xiàn)[5]提出的協(xié)議等。這類協(xié)議中，每個(gè)標(biāo)簽和讀寫器共享一些秘密，這些秘密在讀寫器的后端數(shù)據(jù)庫中和標(biāo)簽的一些信息關(guān)聯(lián)。為了避免重放攻擊，讀寫器和標(biāo)簽在每個(gè)會(huì)話中都產(chǎn)生和使用隨機(jī)數(shù)，這使得每個(gè)標(biāo)簽的回復(fù)不可以預(yù)計(jì)算，后端數(shù)據(jù)庫在線識(shí)別每個(gè)標(biāo)簽的代價(jià)是O(n)。和其它的RFID技術(shù)的應(yīng)用相比，供應(yīng)鏈管理由于批量處理大量標(biāo)簽的特性而對(duì)性能要求最高。然而這類協(xié)議不具備可擴(kuò)展性(可擴(kuò)展性是指當(dāng)識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽的代價(jià)不會(huì)隨著標(biāo)簽總數(shù)量增大而明顯增大)。

    文獻(xiàn)[6]對(duì)部分協(xié)議有詳盡的分析。由于目前還沒有適用于供應(yīng)鏈的可擴(kuò)展讀寫器．標(biāo)簽雙向認(rèn)證協(xié)議，我們針對(duì)供應(yīng)鏈中貨品大批量處理以及處理流程的可預(yù)知性，提出一種適用于供應(yīng)鏈的可擴(kuò)展的讀寫器一標(biāo)簽雙向認(rèn)證協(xié)議。

    1 供應(yīng)鏈的RFID系統(tǒng)模型

    在通用的供應(yīng)鏈的模型上，一個(gè)供應(yīng)鏈上有多個(gè)參與者。貨物經(jīng)過一個(gè)參與者的處理之后，被移交給下一個(gè)參與者。在這個(gè)過程中，一批貨物每次只屬于一個(gè)參與者。在一個(gè)參與者處理的過程中，可能需要多次讀取標(biāo)簽上的信息。在一個(gè)參與者處理完貨物之后，貨物被移交給供應(yīng)鏈中的下一個(gè)參與者。通用的RFID系統(tǒng)由三個(gè)主要部件構(gòu)成：標(biāo)簽(Tag)、標(biāo)簽讀寫器(Reader)和后端數(shù)據(jù)庫(Backend Database)。標(biāo)簽由芯片與天線組成，存儲(chǔ)相關(guān)對(duì)象的信息。標(biāo)簽讀寫器，簡稱讀寫器，是一個(gè)帶有天線的無線發(fā)射與接受設(shè)備，可以對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作。后端數(shù)據(jù)庫用于存放系統(tǒng)中所有標(biāo)簽所標(biāo)識(shí)對(duì)象的有關(guān)數(shù)據(jù)，接受讀寫器對(duì)特定標(biāo)簽信息的檢索。

    根據(jù)一般的供應(yīng)鏈的流程，建立如圖1所示供應(yīng)鏈RFID系統(tǒng)模型。這里P代表參與者，S代表后端數(shù)據(jù)庫，R代表讀寫器， 代表標(biāo)簽 在我們的系統(tǒng)中，每個(gè)參與者有一個(gè)中心服務(wù)器，所有的讀寫器都與其連接，中心數(shù)據(jù)庫也是該參與者內(nèi)所有讀寫器的后端數(shù)據(jù)庫。讀寫器和后端數(shù)據(jù)庫具有較強(qiáng)的存儲(chǔ)和計(jì)算能力，本文將二者作為一個(gè)整體看待，即默認(rèn)讀寫器是帶有后端數(shù)據(jù)庫的高性能計(jì)算機(jī)。標(biāo)簽的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力比較有限。在讀寫器和標(biāo)簽之間的通信信道上，使用Dolev—Yao攻擊者模型，即攻擊者能監(jiān)聽、阻止、修改或插入讀寫器或標(biāo)簽發(fā)送的信息。 

圖1 供應(yīng)鏈RFID系統(tǒng)模型

    在供應(yīng)鏈RFID系統(tǒng)中，至少應(yīng)該包含兩個(gè)協(xié)議，即讀寫器-標(biāo)簽雙向認(rèn)證協(xié)議和標(biāo)簽所有權(quán)移交協(xié)議。讀寫器．標(biāo)簽雙向認(rèn)證協(xié)議用來保證合法的參與者在貨物處理或運(yùn)輸過程中對(duì)貨物的安全識(shí)別。當(dāng)貨物要從一個(gè)參與者P 移交到下一個(gè)參與者P，時(shí)，需要運(yùn)行標(biāo)簽所有權(quán)移交協(xié)議使得P，識(shí)別標(biāo)簽并更新標(biāo)簽的秘密。本文完成讀寫器一標(biāo)簽雙向認(rèn)證協(xié)議的設(shè)計(jì)。

    2 讀寫器一標(biāo)簽雙向認(rèn)證協(xié)議

    供應(yīng)鏈和其它RFID應(yīng)用的最為顯著區(qū)別就是：(1)帶有標(biāo)簽的貨物是成批處理的；(2)對(duì)于任一個(gè)參與者，貨物在其內(nèi)部的處理流程是可預(yù)知的，也就是要讀取標(biāo)簽的次數(shù)是可以預(yù)先估計(jì)的。這兩個(gè)特性為設(shè)計(jì)高效的認(rèn)證協(xié)議提供了一個(gè)切入點(diǎn)。本文采用了一種全新的機(jī)制，每個(gè)標(biāo)簽和讀寫器共享一個(gè)秘密，這個(gè)秘密在讀寫器上作為標(biāo)簽身份的索引。讀寫器首先發(fā)送一個(gè)認(rèn)證碼給標(biāo)簽，每批標(biāo)簽都設(shè)定同一個(gè)值用來認(rèn)證驗(yàn)證碼的安全性。標(biāo)簽驗(yàn)證認(rèn)證碼合法后發(fā)送匿名ID。匿名ID的值和認(rèn)證碼及共享的秘密相關(guān)，合法的讀寫器可以預(yù)先計(jì)算并排序所有標(biāo)簽的匿名ID，因此在線識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽是通過查找匿名ID列表找到和標(biāo)簽發(fā)的匿名ID相等的值。當(dāng)讀寫器識(shí)別標(biāo)簽后，發(fā)送回復(fù)信息給標(biāo)簽，標(biāo)簽驗(yàn)證回復(fù)合法之后，更新標(biāo)簽上用來驗(yàn)證認(rèn)證碼的值。一個(gè)認(rèn)證碼只能使用一次，標(biāo)簽每次所發(fā)的匿名ID都是變化的，只有合法的讀寫器才能識(shí)別標(biāo)簽。攻擊者不能由監(jiān)聽到的認(rèn)證碼計(jì)算一個(gè)合法的認(rèn)證碼。

    2．1 初始化 ．

    參與者P_j中標(biāo)簽的最多被讀取次數(shù)標(biāo)記為m。P_i選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)a₀，計(jì)算a₁=h(a₀)，a₂=h(a₁)，a₃=h(a₂)，... ，a_m =h(a _m-1 )。其中h：{0，1}’→{0，1} 是一個(gè)單向哈希函數(shù)，l是該RFID系統(tǒng)的安全參數(shù)，默認(rèn)本文中所有變量的長度都為l。P_j的中心數(shù)據(jù)庫s_j保存a ₀，a ₁，...，a _m-1的值。這些值將按逆序依次分配給讀寫器作為認(rèn)證碼。首先，我們?cè)跇?biāo)簽上保存a ，此時(shí)標(biāo)簽?zāi)芙邮艿奈ㄒ或?yàn)證碼是a ₁。當(dāng)雙向認(rèn)證成功后，標(biāo)簽上a_m 的值被a _m-1，取代，此時(shí)，標(biāo)簽?zāi)芙邮艿奈ㄒ或?yàn)證碼是a _m-2，以此類推。下面是在貨物從P _j-1 移交到P _j后，標(biāo)簽和中心數(shù)據(jù)庫的初始化。

    標(biāo)簽初始化

    標(biāo)簽T_i上保存兩個(gè)值，(b_i，k_i )。對(duì)于1≤i≤n，n是所有標(biāo)簽的數(shù)量，P_j設(shè)定b。=n ，k 為一個(gè)隨機(jī)串作為標(biāo)簽和數(shù)據(jù)庫s _j共享的新秘密。

    中心數(shù)據(jù)庫初始化每個(gè)標(biāo)簽T_i ，對(duì)于0≤t≤m-l，中心數(shù)據(jù)庫s_j計(jì)算h(a _t ‖k _i)的值，h(a _t‖k _i )是標(biāo)簽T _i對(duì)于合法認(rèn)證碼a _t回復(fù)的匿名ID。中心數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如表1所示。 

表1 中心數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

    2．2 協(xié)議描述

    當(dāng)P_j第一次要讀取標(biāo)簽時(shí)，讀寫器從中心服務(wù)器得到這批標(biāo)簽當(dāng)前合法的認(rèn)證碼a _m-1 ，當(dāng)使用a _m-1 成功和一個(gè)標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)雙向認(rèn)證后，標(biāo)簽更新用來認(rèn)證認(rèn)證碼的值b _i，a _m-1 不再是合法的認(rèn)證碼。當(dāng)一批標(biāo)簽初理完，所有的標(biāo)簽可接受的認(rèn)證碼都變成口。第二次要處理標(biāo)簽時(shí)，讀寫器從中心服務(wù)器得到新的認(rèn)證碼a _m-2。認(rèn)證碼是使用單向哈希函數(shù)生成，攻擊者無法從監(jiān)聽到的合法的認(rèn)證碼a _m-1 算出下一個(gè)合法認(rèn)證碼a _m-2的值。同時(shí)，使用哈希函數(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽和數(shù)據(jù)庫的同步更新。

    本文的協(xié)議由三輪報(bào)文發(fā)送過程組成。當(dāng)要處理一批標(biāo)簽時(shí)，讀寫器從中心數(shù)據(jù)庫得到當(dāng)前這批標(biāo)簽?zāi)芙邮艿暮戏ǖ恼J(rèn)證碼a。

    (1)數(shù)據(jù)庫／讀寫器→標(biāo)簽讀寫器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)r ₁，并發(fā)送(a，r ₁)給標(biāo)簽。

    (2)標(biāo)簽→數(shù)據(jù)庫／讀寫器 當(dāng)標(biāo)簽T _i收到(a，r ₁)后，首先驗(yàn)證h(a)=b _i 是否成立，如果成立，生成隨機(jī)數(shù)r ₂ ，并計(jì)算A=h(a‖k _i)，B =h(r ₁‖r ₂‖k _i )，并發(fā)送(r ₂ ，A，B)給讀寫器；如果不成立，則終止協(xié)議的運(yùn)行。

    (3)數(shù)據(jù)庫／讀寫器→標(biāo)簽讀寫器查找后端數(shù)據(jù)庫中預(yù)計(jì)算出來的對(duì)于認(rèn)證碼。的所有標(biāo)簽的回復(fù)，如果找到和A相等的值，則該標(biāo)簽被識(shí)別，讀寫器得到該標(biāo)簽的秘密k。隨后，讀寫器驗(yàn)證曰的合法性，如果B=h(r ₁‖r ₂‖k)，則該標(biāo)簽通過讀寫器的認(rèn)證，讀寫器計(jì)算C=h(r ₂|| k)并發(fā)送給標(biāo)簽；如果B不合法，則協(xié)議終止。

    最后標(biāo)簽T _i 收到c之后，驗(yàn)證C=h(r ₂‖k _i)是否成立，如果成立，則標(biāo)簽認(rèn)證讀寫器為合法的讀寫器，標(biāo)簽更新b的值為a；如果不成立，則協(xié)議中止。協(xié)議流程圖如圖2所示。 

    3 安全性及效率分析

    抗隱私泄露在讀寫器與標(biāo)簽的交互中，k _i 沒有采用明文發(fā)送，由于哈希函數(shù)h的單向性，攻擊者不能從h(a‖k _i)，h(r ₁‖r₂‖k _i)，h(r ₂‖k _i )的值中計(jì)算出k_i 的值。

    抗假冒標(biāo)簽攻擊雖然一批標(biāo)簽使用同一個(gè)認(rèn)證碼，對(duì)于每個(gè)標(biāo)簽，每次讀寫器運(yùn)行協(xié)議，都會(huì)使用新鮮的隨機(jī)數(shù)r ₁。因此，在攻擊者不知道k_i的值的情況下，不能生成合法的B，B= h(r ₁‖r ₂‖k _i )以通過讀寫器的認(rèn)證。

    抗假冒讀寫器攻擊標(biāo)簽對(duì)讀寫器的認(rèn)證有兩重，首先，只有讀寫器發(fā)來合法的認(rèn)證碼。，標(biāo)簽才會(huì)回應(yīng)，只有合法的讀寫器才可以從中心數(shù)據(jù)庫得到當(dāng)前的認(rèn)證碼。由于讀寫器在處理大批量的標(biāo)簽時(shí)，攻擊者可以監(jiān)聽先處理的標(biāo)簽和讀寫器的對(duì)話，得到同一批次標(biāo)簽共同的認(rèn)證碼，然后假扮讀寫器，因此，只有一個(gè)驗(yàn)證碼來實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽對(duì)讀寫器的認(rèn)證是不夠的。在第三個(gè)消息中，標(biāo)簽通過驗(yàn)證讀寫器發(fā)送的C的值確認(rèn)讀寫器已經(jīng)正確識(shí)別出標(biāo)簽，C=h(r ₂‖k _i)。只有合法的讀寫器才能識(shí)別出標(biāo)簽，得到k _i的值，標(biāo)簽在再次對(duì)讀寫器進(jìn)行認(rèn)證之后，才更新b_i的值。

    抗跟蹤 攻擊者不能通過主動(dòng)詢問標(biāo)簽來獲得信息，因?yàn)楣粽卟荒艿玫疆?dāng)前的合法認(rèn)證碼。對(duì)同一個(gè)標(biāo)簽，任意兩次合法的對(duì)話中，第一次對(duì)話的記錄(a，r ₁，r ₂，A，B，C)和第二次對(duì)話的記錄(a'，r_1^'，r _2^'，A '，B '，C' )對(duì)于攻擊者是不可區(qū)分的。因此，我們的協(xié)議具有抗跟蹤性。

    本文的協(xié)議首次引入一次性認(rèn)證碼的使用，使得數(shù)據(jù)庫可以預(yù)計(jì)算所有合法標(biāo)簽的回復(fù)并排序，當(dāng)在線識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽時(shí)，查找數(shù)據(jù)庫代價(jià)是O(logn)次比較大小的運(yùn)算，數(shù)據(jù)庫完成一次讀寫器-標(biāo)簽雙向認(rèn)證總共需要進(jìn)行3次hash運(yùn)算以及O(logn)次的比較大小的運(yùn)算。在Song提出的協(xié)議以及其它大量隨機(jī)化匿名協(xié)議中，后端數(shù)據(jù)庫在線識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽需要嘗試所有標(biāo)簽的秘密進(jìn)行hash運(yùn)算，直到找到一個(gè)記錄中的秘密使得計(jì)算出來的值和標(biāo)簽發(fā)送過來的值相等，識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽要進(jìn)行O(n)次哈希運(yùn)算。本文提出的協(xié)議顯著提高了后端數(shù)據(jù)庫在讀寫器．標(biāo)簽雙向認(rèn)證中在線識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽的效率。本文的協(xié)議中標(biāo)簽需要進(jìn)行4次hash運(yùn)算，和其它協(xié)議中標(biāo)簽的運(yùn)算量相當(dāng)，如Song的協(xié)議中，標(biāo)簽需要進(jìn)行3次hash運(yùn)算，Song中引用的三個(gè)協(xié)議 ，標(biāo)簽均需要進(jìn)行4次hash運(yùn)算。

    4 結(jié)論

    后端數(shù)據(jù)庫的對(duì)標(biāo)簽的在線識(shí)別往往是RFID系統(tǒng)中的瓶頸。對(duì)于數(shù)據(jù)庫中包含大量標(biāo)簽記錄，同時(shí)要成批識(shí)別大批量標(biāo)簽的供應(yīng)鏈RFID系統(tǒng)，提高后端數(shù)據(jù)庫在線識(shí)別的效率成為當(dāng)務(wù)之急。本文中的讀寫器-標(biāo)簽雙向認(rèn)證協(xié)議在保證供應(yīng)鏈系統(tǒng)安全性的情況下顯著提高了數(shù)據(jù)庫在線識(shí)別一個(gè)標(biāo)簽的效率。本文中的協(xié)議只適合于批量處理的供應(yīng)鏈。在未來的工作中，我們將完成標(biāo)簽所有權(quán)移交協(xié)議的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善該供應(yīng)鏈RIFD系統(tǒng)。 

    (文/復(fù)旦大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蔡韶穎 趙一鳴 )

    參考文獻(xiàn)

    [1]Sarma S E，Weis S A，EngelsDW．RFID systems and security and privaey implications[C]／／In：Kaliski B S，Koc C K，Paar C．eds．Pro—ceedings of the 4th Intemational Workshop on Cryptographic Hardwareand Embedded Systems(CHES 2002)．Lectures Notes in ComputerScience 2523．Berlin：Springer Verlag，2003：454—469．

    [2]Ohkubo M，Suzuki K，Kinoshita S．Hash．chain based forward secure privacy protection scheme for low—cost RFID[C]／／In：Proceedings ofthe 2004 Symposium on Cryptography and Information Security(SCIS2004)，Sendai，2004：719—724．

    [3]Molnar D，Wagner D．Privacy and security in library RFID：Issues．practices，and architectures[C]／／In：Procedings of the 11 ACMConference on Computer and Communications Security (CCS 04)，Washington，DC，USA，2004：210—219．

    [4]Juels A，Pappu R，Pamo B．Unidirectional key distribution across time and space with applications to RFID security[C]／／In 17 USENIXSecurity Sym posium，2008：75—90．

    [5]Song B，Mitchell C J．Rfid authentication protocol for low．cost tags

    [C]／／In WISEC，2008：140—147．

    [6]周永，馮登國．RFID安全協(xié)議的設(shè)計(jì)與分析[J]．計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2006，29(4)：8l一89．

    [7]Dolev D，Yao A c．On the security of public key protocols[C]／／Technical Report，Report No．STAN—CS-81-854，Standford，CA ，USA ，1981．