趙太飛，鄒波，尹航

　　（西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048）

       摘要：為了提高大規模RFID系統的認證效率，通過分析現有RFID系統的認證效率和安全性，提出了一套基于Hash函數的改進協議。向RFID讀寫器加入過濾規則，能夠有效過濾惡意和無效的認證請求；對標簽的訪問計數器值的分層化、更新和重置，可以有效提高后端數據庫檢索數據的命中率。通過分析和測試，該協議能夠有效抵御假冒攻擊、重傳攻擊等不安全問題，有效提高RFID認證的效率，降低認證服務器計算負荷。

　　關鍵詞：RFID；認證協議；訪問計數器；Hash；讀寫器

0引言

　　射頻識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸式的自動識別技術。RFID系統通過射頻信號來識別目標對象，可工作在各種惡劣的環境下，且使裝備該標簽的設備變得智能，可以實現與信息系統進行實時交流。RFID技術的應用遍及各個領域，例如商品溯源、移動支付、供應鏈溯源、門禁系統等。隨著物聯網的不斷發展和RFID的大規模使用，如何在保證RFID系統安全性的前提下，提高RFID系統的認證效率，成為影響RFID大規模推廣應用的技術難點。

1相關研究

　　近年來，RFID安全問題成為研究熱點之一，由于RFID標簽自身資源的限制，在設計RFID標簽認證協議時，除了考慮安全性，還要考慮標簽自身存儲空間和運算能力限制的問題。

　　為了提高RFID安全性，目前一般采用兩種手段：物理方式和密碼學方式。物理方式需要額外的設備支持，增加了成本，同時使用會造成一定的不便，所以密碼學是提高RFID安全性的主流方式。

　　近年來密碼學中有眾多的加密技術，主要包括AES、DES、基于Hash函數的加密算法等。AES、DES等加密方式因資源消耗大，受RFID標簽自身資源的限制，較少被使用，而基于Hash函數的安全機制資源消耗相對較低，因此基于Hash函數的認證協議受到越來越多的關注。NTT實驗室提出了Hash鏈方法［1］，它是一種采用共享秘密的詢問—應答協議，具有不可分辨性和前向安全性，但該協議只能進行單向認證，安全性上存在一定缺陷，后臺數據檢索計算量大；袁署光［2］等人提出一種基于Hash函數的認證協議，其利用對稱秘鑰方式，能夠抵御重傳攻擊、假冒攻擊等，但該協議服務器運算量巨大，數據庫檢索命中率低；劉明生［3］等人提了的基于Hash函數的RFID安全認證協議，協議中傳遞標簽ID的Hash值為靜態的，能有效降低后端數據庫檢索數據的計算量，但不能提高檢索的命中率，并且存在被跟蹤的風險。

2安全問題分析

　　RFID系統面臨的安全問題［4］主要包括：(1)假冒攻擊(spoofing attack)，通過使用假冒讀寫器來記錄標簽的響應，再用該響應去響應合法的讀寫器，讓合法的讀寫器認為該標簽還存在，通過RFID的認證，事實上該標簽已經離去；(2)重傳攻擊(replay attack)，是通過截取標簽和讀寫器之間通信的有效信號，再在RFID系統中進行重傳而對系統進行的一種攻擊；(3)去同步化(desynchronization)，指通過對標簽進行惡意認證或者攻擊，導致后端數據與標簽中存儲的信息不一致，進而導致標簽無法認證的一種攻擊。

3認證方案

　　參考文獻［5］通過標簽訪問計數器值的自更新特性與密值，結合Hash函數進行RFID認證，雖然能夠抵抗標簽偽裝等攻擊，但是該協議標簽數量較大，若干標簽存在惡意認證時，根據k值來檢索數據庫中標簽記錄，將導致檢索范圍過大，標簽記錄命中率降低，而數據庫的每次數據比對都會進行一定量的Hash計算，這會導致服務器耗費大量的時間和資源來進行運算，進而導致這個RFID系統效率低下。

　　針對參考文獻［5］協議做如下改進：對k值進行分層化處理，可以有效提高數據庫標簽記錄檢索的命中率；認證請求中使用RFID讀寫器產生隨機數，將標簽響應中推算出的隨機數與該隨機數進行比較，過濾無效的認證會話；RFID讀寫器保存上一次認證會話中接收的標簽響應，RFID讀寫器接收到的標簽響應與上次會話中使用的標簽響應進行比較，如果相同就過濾該認證會話（標簽在每次認證會話中會更新認證響應），提高認證請求的有效性，減少服務器的運行壓力。有關協議中的參數如表1所示。

　　預備：對每個標簽的k值的范圍進行分層化處理，例如0~999,1 000~9 999，將k置為所在分層的最小值。當k為所在分層區間k的最大值時，k+1將重置k的值為該分層區間的最小值，同時置f的值為“1”，每個標簽配置一個初始密值S，為RFID系統篩選兩個碰撞和復雜度都較低的Hash函數，將標簽k、ID、S存儲到數據庫。

　　步驟（1）：RFID讀寫器產生一個隨機數rR，向標簽發送Query、rR認證請求。

　　步驟(2)：標簽接收到RFID讀寫器發送的認證請求后，將k值與隨機數rR相加得到rk，然后標簽讀取存儲器數據，計算G(IDrk),G(S),然后向RFID讀寫器發送k、rk、G(IDrk)、G(S)以及標志位f；同時更新S=H(S)，更新k=k+1，當k為所在分層的最大值時，k+1將重置k的值為該分層的最小值，同時置f的值為“1”，否則f值不更新。

　　步驟(3)：RFID讀寫器接收到來自標簽的信息后，先通過rk和k計算出隨機數rR′，比較該rR′是否與剛發出的rR一致，如果不一致，則該數據為無效數據，直接丟棄；如果一致則進一步判斷G(IDrk)和G(S)。比較與該閱讀器上次認證時保留的G(ID′rk′)和G(S′)是否一致，如果一致則為無效數據，直接丟棄；如果不一致，則將數據k、rk、G(IDrk)、G(S)以及標志位f發送到后端數據庫。

　　步驟(4)：后端服務器接收到RFID讀寫器傳遞的數據后，先判斷k值的范圍區間，確定該標簽在哪個分層，然后判斷f值是否為“1”，如果是轉入①，否則轉入②。

　　①在數據庫中找到該分層的所有標簽數據記錄，檢查該記錄中是否還有沒有對比的記錄，如果有轉入③；否則，標簽不合法，停止認證。

　　②在數據庫中找到該分層的標簽數據記錄，在此記錄中檢查是否還有符合k″≤k沒有對比的記錄，如果有轉入④；否則，標簽不合法，停止認證。

　　③讀取一條還沒有對比的標簽數據記錄的ID″，計算G(ID″rk)，再與G(IDrk)比較，如果相等，則轉入⑤，否則轉入①。

　　④讀取一條k″≤k且還沒有對比的標簽數據記錄的ID″，計算G(ID″rk)，再與G(IDrk)比較，如果相等，則轉入⑥，否則轉入②。

　　⑤比較k與k″的大小，如果k與k″相等則取d=0，否則取d=k+l-k″；然后比較G(Hd(S″))與G(S)，如果相等，則轉入⑦，否則轉入①。

　　⑥計算d=k-k″，然后比較G(Hd(S″))與G(S)，如果相等，則轉入⑦，否則轉入②。

　　⑦后端數據庫更新當前標簽記錄的訪問計數器k″=k+1和密值S″=Hd+1(S″)，如果k為該區間的最大值，則k″置為該區間的最小值，然后計算G(ID″S″)發送給標簽。

　　步驟（5）：閱讀器將后端服務器發送來的G(ID″S(k″))轉發給標簽。

　　步驟（6）：標簽從存儲器中獲取ID與密值S，計算G(IDS)與G(ID″S″)是否相等，如果相等則認證成功，同時將標志位f置為“0”，否則認證失敗。

　　協議認證過程如圖1所示。

4協議安全性分析

　　RFID系統面臨的主要安全問題［6］有：假冒攻擊、重傳攻擊、追蹤、去同步化。這里定義讀寫器向標簽傳遞信息的無線信道為前向信道，標簽向讀寫器傳遞信息的無線信道為后向信道［7］，對協議進行安全性分析。

　　4.1假冒攻擊

　　攻擊者使用偽裝的讀寫器通過前向信道向標簽發送Query和rR認證請求，獲取到標簽的響應k、rR、f、G(IDrk)、G(S)；再在下一次與合法讀寫器進行認證時，讀寫器發送Query和rR認證請求，攻擊者通過后向信道使用上次截獲的k、rk、f、G(IDrk)、G(S)來響應讀寫器，然而由于讀寫器每次發送的rR都是一個隨機產生的隨機數，所以前后兩次的隨機數rR和rk-k不一致，無法進行假冒攻擊。

　　4.2重傳攻擊

　　在讀寫器向標簽發送Query和rR認證請求之后，攻擊者獲取到k、rk、f、G(IDrk)、G(S)；在以后的認證會話中，攻擊者通過后向信道響應k、rk、f、G(IDrk)、G(S)，從而發動重傳攻擊；在讀寫器接收到k、rk、f、G(IDrk)、G(S)過后，進行一次過濾處理，與上一次接收到的G(ID″rk′)、G(S′)進行比較，看數據內容是否相同，如果相同，則直接丟棄該數據，然后再判決rk-k和rR的值是否一致，因為前后兩次認證過程中讀寫器生成的rR不同，由此可見該協議對重傳攻擊具有安全性。

　　4.3追蹤

　　攻擊者使用偽裝的讀寫器向標簽發送認證請求，獲取到標簽的響應k、rk、f、G(IDrk)、G(S)，然后通過該響應來追蹤該標簽；由于每次發起認證請求時，讀寫器都會重新產生一個隨機數用于認證，并且標簽自生的k、S(k)也是不斷變化的，所以rk也會不斷變化，f值只能是“0”或“1”無法實現追蹤，因此該標簽的響應是不斷變化的，所以該協議能夠很好地抵制追蹤攻擊。

　　4.4去同步化

　　認證過程中，因為采用的是無線信道，故有可能造成數據傳輸的丟失，或人為對標簽進行惡意攻擊，然后導致標簽的數據與后端數據庫數據不一致，使標簽無效化，無法完成認證操作。后端數據庫可以根據k值和f值來確保標簽密值的成功匹配，每次成功認證過后，后端數據庫也會根據標簽傳來的信息，更新后端數據庫的數據。

5協議效率分析

　　本協議對Hash鏈的RFID安全雙向認證協議［5］做了改進，進一步提高了后端數據庫檢索的效率，讀寫器端增加過濾功能，能夠有效地攔截惡意的認證請求，很好地減少服務器資源的浪費。

　　通過k值的分層化處理可以有效地縮小數據檢索的范圍，快速定位到需要檢索的k值的數值范圍，從而確定待檢索的數據記錄所在的k值分層；再根據k值進一步縮小檢索數據記錄的范圍，因為在f為“0”時，被檢索記錄的k″必須滿足k″≤k。

　　標志位“f”的作用主要是為了處理k值在完成多次認證過后導致k值越界，導致標簽去同步化，無法進行認證。

　　在認證會話中，讀寫器不是將標簽響應的數據進行一個簡單的數據傳遞，讓服務器進行數據的處理；而是對標簽響應的數據進行了一個數據過濾，能夠有效地過濾無效認證會話和惡意認證，降低服務器的運行負荷，避免不必要的服務器資源浪費。

6性能分析

　　本文使用MATLAB對文獻［5］提出的基于Hash鏈的RFID安全雙向認證協議與本文改進的協議進行了仿真測試，對比了后端服務器在比較次數、哈希運算次數的差別。本文提出的改進協議細節上與文獻［5］有些不同,有的特性未在測試數據上很好地體現出來，例如標簽閱讀器的過濾功能，可以過濾一部分無效的認證請求，降低后端服務器的運行負荷。

　　將參考文獻［5］測試組命名為A組，本文改進協議分成3組進行測試，分別命名為B組、C組和D組。測試中先去除標簽閱讀器的過濾功能。假定A組中一共有2 000個標簽，后端服務器也有2 000條對應的標簽數據，并且每個標簽和服務器之間已發生不超過50次的隨機訪問會話，同時標簽數據與后端服務器同步，再隨機抽取200個標簽發生隨機次數(不超過20次)的惡意訪問，造成標簽數據與后端數據庫數據的不同步，然后隨機發起2 000 000次的訪問會話。B組分為a1、b1分層，C組分為a2、b2、c2分層，D組分為a3、b3、c3、d3分層，每個分層的標簽數、k值范圍以及發生隨機惡意訪問(不超過20次)的標簽數具體信息如圖2所示。首先每個分層的每個標簽與服務器之間發生不超過50次的隨機訪問會話，同時標簽數據與后端服務器是同步的，再隨機抽取表2中所述的標簽個數發生隨機次數(不超過20次)的惡意訪問，造成標簽數據與后端數據庫的不同步，最后以組為單位，每組隨機發起2 000 000次的訪問會話，統計以上A、B、C、D四組數據可以得到表3測試數據。

　　本文協議對標簽k進行分層處理后，分為多個組，根據以上測試結果可以得出，相比參考文獻［5］，本文協議能有效地減少后端服務器的運算次數，其次k值分層處理的分層數越多，后端服務器的運算次數越少。

7結束語

　　隨著物聯網的不斷發展，RFID系統被廣泛使用，但RFID安全問題和認證效率問題成為制約RFID系統廣泛使用的關鍵。由于RFID標簽自身的局限性，采用密碼學的RFID安全認證協議成為提高認證效率和解決RFID安全性問題的重要方法。本文提出了一種基于Hash鏈的改進協議，能有效地抵抗假冒攻擊、重傳攻擊、追蹤和去同步化，利用訪問計數器值的分層特性及自更新和重置特點，提高了數據庫中標簽數據的命中率，通過標簽閱讀器的過濾功能，有效地過濾無效的認證請求，從而降低了RFID認證時后臺服務器的資源消耗，有效提高系統的認證效率。

　　參考文獻

　　［1］ OHKUBO M， SUZUKI K，KINOSHITA S． Hash chain based forwardsecure privacy protection scheme for low cost RFID［C］. Proceedings of the 2004 Symposium on Cryptography and Information Security， Berlin: SpringerVerlag， 2004: 719-724．

　　［2］ 袁署光,戴宏躍,賴聲禮，等.基于Hash函數的RFID認證協議［J］.計算機工程,2008,34(12):141-143.

　　［3］ 劉明生,王艷,趙新生，等.基于Hash函數的RFID安全認證協議的研究［J］.傳感技術學報,2011,24(9):1317-1321.

　　［4］ 丁振華,李錦濤,馮波，等.基于Hash函數的RFID安全認證協議研究［J］.計算機研究與發展, 2009,46(4):583-592.

　　［5］ 裴小強,衛宏儒.基于Hash鏈的RFID安全雙向認證協議［J］.計算機應用,2014,34(z1):47-49,54.

　　［6］ 高樹靜.低成本無源RFID安全關鍵技術研究［D］.濟南：山東大學,2013.

　　［7］ 周永彬,馮登國.RFID安全協議的設計與分析［J］.計算機學報,2006,29(4):581-589.