RFID應(yīng)用系統(tǒng)中的Tag-reader安全通信協(xié)議

　1 無線射頻識別技術(shù)簡介

　　無線射頻識別技術(shù)(radio frequency identification，RFID)或稱電子標簽技術(shù)是從二十世紀六七十年代興起的一項非接觸式自動識別技術(shù)。它利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的目的，具有精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強、抗干擾性強、操作快捷等許多優(yōu)點。最基本的RFID 系統(tǒng)主要由下面3部分組成：

　　(1)標簽(tag)：又稱電子標簽、智能卡、識別卡或標識卡，由嵌入式微處理器及其軟件、卡內(nèi)發(fā)射與接收天線、收發(fā)電路組成。標簽為信息載體，含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線問進行通信。

　　(2)閱讀器(reader)：讀?。瘜懭霕撕炐畔⒌脑O(shè)備。

　　(3)后臺數(shù)據(jù)庫(backend)：用于存儲標簽標識所對應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　一般情況下，閱讀器和后臺數(shù)據(jù)庫之間的通信可以認為是安全可靠的，本文將二者等同看待。

　　2 RFID面臨的安全問題

　　無線射頻識別技術(shù)的應(yīng)用雖然十分廣泛，但其存在一個不可忽視的隱患——安全機制。沒有可靠的安全機制，就無法有效保護RFID標簽中的數(shù)據(jù)信息。目前，RFID的安全性已經(jīng)成為制約RFID廣泛應(yīng)用的重要因素。針對RFID的主要安全攻擊可簡單地分為主動攻擊和被動攻擊2種類型。主動攻擊主要包括： (1)從獲得的RFID標簽實體，通過逆向工程手段，進行目標RFID 標簽重構(gòu)的復(fù)雜攻擊；(2)通過軟件，利用微處理器的通用通信接13，通過掃描RFID標簽和響應(yīng)閱讀器的探詢，尋求安全協(xié)議、加密算法以及它們實現(xiàn)的弱點，進而刪除RFID標簽內(nèi)容或篡改可重寫RFID標簽內(nèi)容的攻擊；(3)通過干擾廣播、阻塞信道或其他手段，產(chǎn)生異常的應(yīng)用環(huán)境，使合法處理器產(chǎn)生故障，拒絕服務(wù)的攻擊等。

　　被動攻擊主要包括：通過采用竊聽或非法掃描等技術(shù)，獲得RFID標簽和識讀器之間或其他RFID通信設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù)，跟蹤貨品流通動態(tài)等。

　　攻擊者通過對RFID系統(tǒng)中的標簽、標簽中存儲的數(shù)據(jù)以及標簽與閱讀器之間的通信實施主動攻擊或被動攻擊，將使RFID系統(tǒng)面臨非常巨大的安全風險。

　　RFID 系統(tǒng)中最主要的安全風險是“數(shù)據(jù)保密性”。顯然，沒有安全機制的RFID標簽會向鄰近的識讀器泄漏標簽內(nèi)容和一些敏感信息。由于缺乏支持點對點加密和 PKI密鑰交換的功能，在RFID系統(tǒng)應(yīng)用過程中，攻擊者有許多機會可以獲取RFID標簽上的數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)中的另一個安全風險是“位置保密性”。如同個人攜帶物品的商標可能泄漏個人身份一樣，個人攜帶物品的RFID標簽也可能會泄漏個人身份，通過識讀器就能跟蹤攜帶系列不安全RFID標簽的個人。此外，攻擊者還可以利用偽造標簽代替實際物品來欺騙貨主，使其誤認為物品還在貨架上。攻擊者也可能通過篡改RFID標簽上的數(shù)據(jù)，用低價物品標簽替換高價物品標簽，以此來獲取非法利益。

　　3 基于Hash函數(shù)的安全通信協(xié)議

　　為了解決RFID系統(tǒng)的安全問題，最大限度地降低其面臨的安全風險，必須為RFID系統(tǒng)構(gòu)造一個可靠的安全機制，用于tag與reader間的相互認證和傳輸數(shù)據(jù)。所有的安全機制都需要建立在一個加密算法的基礎(chǔ)之上[2]。但由于RFID標簽的使用數(shù)量大、范圍廣，必須將其造價控制在比較低廉的水平，這使得RFID標簽通常只能擁有大約5 000個~10 000個邏輯門，而且這些邏輯門主要用于實現(xiàn)一些最基本的標簽功能，僅剩少許可用于實現(xiàn)安全功能。但實現(xiàn)AES(advanced encryption standard)算法需要大約20 000個~30 000個邏輯 門[3]，實現(xiàn)RSA、橢圓曲線密碼等公鑰密碼算法則需要更多的邏輯門。因此，大多數(shù)RFID標簽根本無法提供足夠的資源來實現(xiàn)一些比較成熟和先進的加密算法，而只能采用一些 “PIN碼”或“password”機制來保護秘密數(shù)據(jù)。

　　按照目前已有的技術(shù)和芯片制造水平，在tag標簽芯片中實現(xiàn)SHA-1等成熟Hash算法大約需要3 000個~4 000個邏輯門，因此，本文提出了基于Hash函數(shù)的安全通信協(xié)議，用于保證tag和reader之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，同時防止在傳輸時泄漏tag所攜帶的個人信息和位置信息。

　　3.1 協(xié)議中的Hash函數(shù)

　　在本協(xié)議中需要用到2個Hash函數(shù)：H和G，這2個Hash函數(shù)的實現(xiàn)是可以公開的，無須保密。而且，H和G理論上可以是同一算法，但是考慮到H僅用于計算一個標簽標識串的Hash值，可以采用比較簡單的算法，而G要用于計算tag和backend間互相鑒別和傳輸會話密鑰時的Hash值，因此，應(yīng)該采用安全強度較大的Hash算法。顯然，作為Hash函數(shù)，H和G均應(yīng)滿足[4]：

(1)對于任意長度的消息M，H和G返回固定長度m的函數(shù)值h=H(M)或G(M)；

　　(2)給定M很容易計算出h，甚至在RFID芯片上計算資源有限的條件下也是如此；

　　(3)給定h，很難還原出M，即使知道H和G的算法也是如此；

　　(4)對于特定的M，很難找到另一個M’，使得H(M)=H(M’)，即使知道H和G的算法也是如此。

　　3.2 協(xié)議的初始化

　　協(xié)議要求在使用前對backend的數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)所使用的tag進行初始化操作。

　　(1)tag端：tag中被寫入初始值由3部分構(gòu)成：1)私密信息S0，如EPC條碼等可供識別tag的標識；2)計數(shù)器初值C0；3)會話密鑰R0。

　　(2)backend端：其數(shù)據(jù)庫中保存有一張所有tag的表單，表單記錄有每個tag所對應(yīng)的S0、會話密鑰R0、S0的當前值Si(等于S0)和backend端計數(shù)器值(等于CibC0)。

　　3.3 協(xié)議的算法步驟

　　(1)backend向tag發(fā)送R/W請求。

　　(5)對通信內(nèi)容的保護。因為協(xié)議首先對tag和backend進行了相互認證，通過認證的雙方在協(xié)議的第(4)步進行了會話密鑰的傳遞，而且此密鑰將用于本次會話時的數(shù)據(jù)傳輸加密，所以攻擊者即使能夠竊聽到tag和reader之間的通信數(shù)據(jù)，也無法獲取其真實內(nèi)容。

　　5 結(jié)束語

　　目前已有不少關(guān)于RFID系統(tǒng)的安全問題的協(xié)議和方案公開發(fā)表，但是其中的絕大多數(shù)只是針對安全問題的某些方面，并沒有一個成熟的完整解決方案。而另一方面，受到被動式標簽芯片性能和運算能力的限制，一些比較成熟和先進的加密算法如AES、RSA、橢圓曲線密碼等近期內(nèi)還無法運用到RFID標簽的加密中。

　　本文提出的RFID 安全通信協(xié)議基于傳統(tǒng)的challenge—response框架，其采用的Hash函數(shù)對標簽芯片的計算能力要求較低，比較適用于目前的實際情況和成本控制目標。同時，該協(xié)議的框架具有向后兼容公鑰密碼體制的特性，當今后標簽芯片性能可以支持某些公鑰密碼算法時，可以方便地將Hash函數(shù)部分改為公鑰密碼算法，而對于協(xié)議的執(zhí)行步驟，只須做少許改動即可。