基于Hash 函数的RFID 安全认证协议研究

射频识别(RFID)技术是一种利用电磁发射或电磁耦合实现无接触信息传递，进而自动识别和获取目标对象信息数据的技术。作为一种稳定、可靠、快速采集数据并对数据进行加工的新兴技术，RFID得到了广泛应用并突显其强大的实用价值。但RFID技术在安全隐私问题上面临着诸多挑战。为此，本文在已有的RFID协议基础上，通过分析其执行过程及优缺点,提出一种新的基于Hash的RFID双向认证协议，并进行了安全性分析和比较。

RFID简介

１．１RFID系统基本构成

(１)电子标签：由芯片和无线通信天线两个主要部分组成，在电子标签中可以通过存储一些需要被识别的物品相关信息来分类、标识物品。

(２)阅读器：RFID阅读器包含逻辑控制单元、射频接口和无。线通信天线３个部分，主要处理与电子标签之间的通信,实现数据的读写。阅读器既是标签的汇聚部分，也是应用系统的下一级。

(３)应用系统：对读写器转发的所有电子标签信息进行集中统计和分析，并通过安全信道反馈给读写器。RFID系统基本构成如图１所示。

１．２RFID安全性分析

RFID技术在方便人们生活的同时也带来诸多安全隐患，其中，RFID系统对应用的完全开放是造成系统出现安全隐私问题的根本原因。

RFID可能受到的安全威胁有２类：

①物理环境威胁，如设备妨碍、电磁磁扰等;

②人员对系统的攻击，主要有重放攻击、假冒攻击、窃听攻击、位置跟踪等。

主动攻击与被动攻击如图２所示。

RFID相关安全认证协议

２．１ Hash-Lock协议

Hash-Lock协议是Sarma等提出的一种安全协议。标签存储唯一标识ID及metaID，初始状态为锁定状态。后端数据库存储所有的标签密钥key、ID和metaID。

Hash-Lock协议执行过程如下:

① 读写器向标签发出认证请求;

② 标签回答metaID并通过读写器将认证请求响应消息metaID转发给后端数据库;

③ 后端数据库接收消息并检索系统文档，如果阅读器发送过来的metaID与数据库系统中保存的metaID值相同，就返回读写器该匹配项的key和ID；否则，返回给读写器认证失败信息；

④ 读写器接收消息并返回给标签密钥；

⑤ 标签接收密钥信息并利用散列函数验证H(key)与metaID是否相等。如果相等,标签返回给读写器唯一标识;否则,验证失败；

⑥ 读写器判断两份ID数据是否相同。如果相同，则认证成功；否则，认证失败。

２．２随机化Hash-Lock协议

随机化Hash-Lock协议是Weis等提出的一种安全协议。标签保存ID并嵌入随机数产生器，初始状态为锁定状态。后端数据库存储全部标签ID。

随机化Hash-Lock协议认证过程如下:

① 读写器向标签发出认证请求;

② 标签接收认证消息并生成一个R，通过读写器将H(IDk||R)数据值连同R一同转发给后端数据库,其中R是随机数;

③ 后端数据库接收请求信息并检索系统文档，然后返回给读写器全部ID;

④ 读写器检查是否有某个IDj(１≤j≤n),使得H(IDj||R)＝H(IDk||R)成立。如果有,则认证通过，并将IDj发送给标签；

⑤ 标签接收数据消息并判断IDj和IDk是否相等。如果相等，则认证通过，否则认证失败。

２．３Hash链协议

在Hash链协议中，标签存有ID和秘密值S，初始状态为锁定状态。系统全部标签数值对(ID,S)保存在后端数据库。

Hash链协议的执行过程如下:

① 读写器向标签发出认证请求；

② 标签接收请求命令并通过散列函数计算G(S)，然后标签将计算结果通过读写器响应给后端数据库并使用哈希函数H更替标签的秘密值;

③ 后端数据库接收消息并检索系统文档。计算G(H(S))并和读写器的相应数据比较,如果相等，则认证成功;否则，认证失败。

２．４协议优缺点

Hash锁协议使用标签metaID代替真实的ID，标签对读写器进行认证后再将其ID通过非安全信道发送给读写器。但每次传送的metaID也属于常量值，RFID系统很容易受到非法用户的假冒攻击和重传攻击。随机化Hash-Lock协议和Hash锁协议一样，标签ID仍以明文形式在非安全信道传送，不能应对非法用户的重传攻击。而且每次标签执行认证请求过程中，读写器与后端数据库之间的安全信道需要传送全部标签的ID，具有很大的信息交互量。

Hash链协议中，标签成为一个具有自主更新ID能力的主动式标签。此外，每一次认证过程中，后端数据库都需要针对标签使用２个不同的散列函数G和H进行j次散列运算.随着标签数量规模的扩大，计算负荷也随之加大。

RFID安全认证协议设计

通过分析上述几种安全协议的原理和执行流程,发现这些协议都存在种种安全隐患。本文提出了一种改进的安全协议，实现阅读器－电子标签的双重认证,基本达到认证协议的安全目标。

３．１设计原理

标签存有ID和秘密值S，系统全部标签数值对(ID,S)存储在后端数据库，并且后端数据库和标签都嵌入了随机数产生器.协议流程如图３所示。

３．２安全协议设计

安全协议设计步骤如下:

① 后端数据库产生一个随机数R^DB并通过读写器将数值结果连同Query一同发送给标签;

② 标签根据自身ID、读写器认证请求的相关随机数R^DB、后端数据库和标签的秘密数值S与散列函数计算出S^T，其中S^T＝H(ID||R^DB||S)，然后标签产生一个新的随机数R^T，通过读写器将新的随机数连同S^T一起发送给后端数据库;

③ 后端数据库接收消息并检索系统中的文档数据是否有某个ID_j(１≤j≤n)，使得H(ID_j||R^DB||S)＝H(ID||R^DB||S)成立；如果没有，则认证失败；如果有，则后端数据库根据ID_j、标签响应的相关随机数R^T、后端数据库和标签的秘密数值S与散列函数计算出S^DB，其中S^DB＝H(ID_j||R^T||S)。通过读写器将结果数值转发给标签；

④ 标签计算S^T＝H(ID||R^T||S),并比较是否与接收到的H(ID_j||R^T||S)相同；若相同，则认证通过;若不同,则认证失败;

⑤ 系统分别使用S^DB和S^T更替后端数据库和标签的秘密数值S。

３．３协议安全性分析

(1) 双向认证。在后端数据库通过散列函数检验H(ID_j||R^DB||S)和H(ID||R^DB||S)是否相等，以及在标签中通过散列函数计算并比较H(ID||R^T||S)和H(ID_j||R^T||S)是否相等，实现RFID系统合法身份的双向认证。

(2) 向前安全。由于随机数R、共享数值S的可变性以及Hash的单向性，即使非法用户获取了H(ID||R^DB||S)也查不出标签之前的运作数据。

(3) 防位置跟踪。由于保存在后端数据库中的R^DB和数值S是变化的，因此每次读写器请求认证后的反馈消息H(ID||R^DB||S)也不相同，有效阻止了攻击者的位置跟踪。

(4) 防重传攻击。由于共享数值S的可变性，非法用户不能再次模拟出读写器响应给标签的数值H(ID_j||R^T||S)，有效防止了重传攻击。

(5) 防窃听。标签ID在非安全信道传播时经过Hash的加密处理，所以非法用户无法窃听标签的真实ID。

(6) 防假冒攻击。假如非法用户将非法标签伪装成合法标签，并使用非法算法返回给读写器认证，由于后端数据库产生的随机数R^DB和共享秘密值S是变化的，合法标签响应的H(ID‖R^DB‖S)值与伪装标签响应的数值完全不同，因此标签无法通过读写器认证。

(7) 运算负载小，效率高。假设RFID有N个标签。每次认证，在后端数据库中本文协议需要进行N次值对照和N＋１个Hash函数，而Hash链方法则需进行N次记录搜索、N次值比较和２N个Hash函数计算，所以当N很大时，本方法运算负载小、效率高。

基于Hash的RFID协议安全性比较如表１所示。表中以“×”表示不符合安全,以“√”表示符合安全。