一种RFID系统的Tag-Reader双向安全认证协议

陈　卓

（信阳农林学院，河南信阳，464000）

一种RFID系统的Tag-Reader双向安全认证协议

陈卓

（信阳农林学院，河南信阳，464000）

为了保证RFID系统的信息安全，本文在分析现有RFID认证协议的基础上，提出一种基于Grain-Mac流密码加密算法的双向安全认证协议，采用流密码和密钥动态更新的方法实现了标签与阅读器的双向认证。仿真结果表明，该协议成本低、效率高、安全性好，且能够有效抵抗拒绝服务攻击，达到了预期的效果。

射频识别；加密算法；认证协议

随着物联网技术日趋成熟，射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）系统逐渐在零售、物流等领域得到广泛应用。人们享受其带来的便捷，同时也逐渐意识到信息安全和隐私保护问题。犯罪分子利用开放型无线环境的漏洞进行非法攻击，会造成系统紊乱，甚至机密泄露。目前，依据RFID层次特点实施的针对性攻击主要有两种：Tag-Reader攻击和后台攻击。

1　现有Tag-Reader认证机制

国内外学者对Tag-Reader攻击提出两类安全对策：一是物理机制，主要包括kill命令、主动干扰、阻塞标签和静电屏蔽等。其对象为计算能力弱的低成本标签，能一定程度上解决安全问题，但标签利用率低，局限性大。其二是加密认证机制，是采用密码学技术来完善协议，综合性能更为优越，本文的研究对象为后者。

最早的Hash-Lock协议以metaID来代替真实的标签ID，能够防止未经授权者阅读标签内容。但metaID固定，并以明文形式发送，难以抵抗伪造攻击和重放攻击。随机Hash-Lock协议在标签内存储标签ID与一个随机数产生程序，达到一定的保密效果，但仍无法摆脱攻击者的追踪。Hash链协议与上述两个协议不同，标签（tag）和阅读器（reader）间有一个约定的初始密钥，前向安全性良好。但要求tag具备读写能力，增加了制造成本。文献［2］提出一种分布式RFID询问—应答协议，其reader和tag分别生成一个随机数，只有两者都通过认证才允许访问。安全漏洞较少，但运算时间较长。文献［3］提出一种O-FRAP认证协议，其密钥在认证后被更新，不易被跟踪。但每次查询都要利用记录做计算和匹配，浪费后台服务器资源，容易遭受拒绝服务攻击（DoS），引起系统崩溃。现阶段还缺乏一种低成本、高效率与安全性兼具的协议，本文针对DoS的特点，设计了一种基于Grain-Mac流密码加密算法的双向安全认证协议。

2　基于Grain-Mac流密码加密算法的双向安全认证协议

2.1认证流程

符号定义如下：R为阅读器，T为RFID标签，S为服务器，rt、rs和rr分别是三者产生的随机数，D是S的数据库，PRNG（）为伪随机函数，K（）是加密函数，D.query（）和D.update（）为数据库查询和更新命令，||为连接操作符。每个标签和服务器拥有两个密钥：公共密钥kc，用于在查询数据库之前判断标签和阅读器的合法性，此密钥为固定值。私有密钥kt，在认证过程中动态更新，且每个标签的kt都具有唯一性。在标签、阅读器和服务器上都有一个算法相同的密钥流产生器，kc和kt只作为密钥源，由产生器产生密钥流，经过异或运算加密明文。D中为每个标签保存数组（Kc（ID），ID，kt），标签中存储一组数据（ID，kt，kc），服务器存储kc。认证步骤如下：

（1）当检测到T进入R通信范围内，R会向T发送一个询问信号Query。

（2）收到信号的T产生一个与ID位数相同的随机数rt，然后发送给R。

（3）R收到数据后，产生自己的随机数rr，并与rt一起通过安全信道发送给S。

（4）S将两者进行连接：b=rr||rt，用公共密钥kc对b进行加密：c=Kc（b），然后把c传回R。

（5）R把自己的rr与c一起发送给T。

（6）T将收到的rr’和rt连接，用公共密钥kc加密得：c’=Kc（rr’||rt），然后判断是否c’=c，若不相等则认为R不合法。否则对ID用kc加密并与rt异或得：a= Kc（ID）⊕rt，目的是让每次传输数据有所区别，防止被追踪。然后将a与rr’||rt连接并用kc加密：m=Kc（a||rr’||rt），用私有密钥kt加密rt：d=Kt（rt），再把这三个数据发给R，最后更新密钥kt：kt’=PRNG（kt），表示用原先密钥做种子随机生成新密钥。

（7）R将收到的a与rr||rt连接，用kc加密：m’= Kc（a||rr||rt），判断是否m’=m，若不相等则认为T不合法，停止认证过程。否则将a、d发送给S。

（8）S将收到的a与rt异或得：n=a⊕rt，以n为索引在D中查找T的记录：D.query（n），找到对应的ID和密钥kt：（ID，kt）。

①用密钥kt加密rt：d’=Kt（rt）。判断是否d’=d，若相等则认为T合法，认证通过，然后执行②，若不等则先执行②，然后重新执行①。防止因阻塞攻击导致数据不同步。

②更新密钥kt：kt’’=PRNG（kt）。

③用kt’’更新数据库记录：D.update（kt’’）。

④生成随机数rs，用kt’’加密：h=Kt（rs），然后与rs一起发送给R。

（9）R把h和rs转发给T。

（10）T收到后用更新后的密钥kt’加密rs：h’=Kt（rs），比较h’和h，若相等则接受R与S合法通过，整个认证过程结束。

2.2安全性分析

（1）嗅探跟踪。利用流密码加密使密文之间相关度较低，保证了信息交换中数据的不可读性，除非同时知晓kc与kt才能通过认证。

（2）重放攻击。信息流中的随机数使每次传输数据有所变化，任何一步出错都会关闭通信，无法截取相同T信息进行重放。

（3）前向安全。每次认证都会更新密钥，PRNG是单向伪随机函数，即使T中的本次kt泄露，也无法推算上一次的kt。

（4）数据一致性。D和T中并非存储两个密钥，而是在S端重复使用PRNG函数更新kt进行认证，避免数据不同步。

（5）拒绝服务攻击。S在发出查询命令后用kc加密rr与rt，发送给T，T计算判别R和S的合法性。再用kc加密自己的a、rr与rt，发送给R，R判别T是否合法。若不合法则拒绝将数据发给S，防止伪造的标签频繁查询D而导致系统崩溃。

3　仿真

本文以客户端—服务器模式设计程序，对几种Tag-Reader安全协议的认证过程进行仿真实验，软件如下：VS2008，VC6.0，ACE通信软件包，MSSQL Server2000，Mysql7.0。利用ACE连接模块功能，增加攻击程序模拟攻击过程，结果存储在数据库中便于分析比较。另采用文献［4］提出的Grain-Mac流密码加密算法进行加解密，加密速度快，硬件占用率低。因篇幅有限，不再给出具体程序。

从表1中可看出，相比于前三种Hash系列协议，分布式询问—应答协议、O-FRAP协议和本文协议的攻击成功率大幅度降低，一方面是针对普遍性攻击，各协议性能的差异。另一方面由于加入了DoS，原本安全性较强的协议暴露出劣势，故从成本、效率和安全综合考虑，本文的协议具有明显的优势。

4　结束语

本文设计了一种基于Grain-Mac流密码加密算法的双向安全认证协议，采用流密码和密钥动态更新的方法实现标签与阅读器的双向认证。仿真结果表明，该协议综合性能良好且能够有效抵抗拒绝服务攻击，达到了预期的效果。

［1］ 梁晨.基于物联网的RFID安全认证协议研究与设计［D］.西安：西安电子科技大学，2011：27-34.

［2］ 张瑾瑾，张浩军.一种改进的RFID高效认证协议［J］.计算机技术与发展，2015，25（1）：147-150.

［3］ T r i V a n L e，M i k e B u r n m e s t e r，B r e n o d e Medeiros，Universally composable and forward secure RFID authentication and authenticated key exchange in：The Proceedings of the Second ACM Symposium on Information，Computer and Communications Security，2007：242-252.

［4］ 李雪峰.基于RFID系统的认证协议与加密算法的研究［D］.上海：东华大学，2008：52-69.

A mutual secure authentication protocol for Tag-Reader of RFID system

Chen Zhuo
（XinYang College Of Agriculture And Forestry，XinYang，464000）

In order to protect the information security of RFID system，this paper proposes a mutual secure authentication protocol based on Grain-Mac stream-cipher cryptographic algorithm by analyzing existing RFID authentication protocols.The mutual authentication between tags and readers is achieved through use of stream-cipher and dynamic key-updating methods.Simulation results show that，the new protocol has feature of low cost，high efficiency and good safety，also it can effectively resist denial-of-service attack，so as to achieve the desired effect.

RFID；cryptographic algorithm； authentication protocol

表1　攻击实验数据