对轻量级移动RFID双向认证协议的分析与改进

2023-03-22崔红达

物联网技术 2023年3期

崔红达，徐森，杨硕

（沈阳化工大学计算机科学与技术学院，辽宁沈阳 110020）

0 引言

RFID系统因成本低廉，能够适应多变复杂的外界环境，且占用空间小等多方面优点，目前被广泛应用于物联网的大环境之中。从居民二代身份证到物流仓库中的产品追踪定位，再到生产线上的流水管理等，RFID系统都发挥着不可或缺的作用。

在传统的RFID系统中，读写器与后台数据库之间是通过有线方式进行通信的，对于读写器与后台数据库之间的通信，通常认为是安全的[1]。因此在设计双向认证协议时，通常将读写器与后台数据库看作一个通信主体，不需要去考虑读写器与后台数据之间的验证过程。而在移动RFID系统中，读写器与后台数据库之间采用无线方式通信，所以读写器与后台数据库之间不再是传统的安全信道。因此，传统的RFID系统中使用的双向认证协议不能再用于移动RFID系统中去[2]。当下很多学者对这一问题进行了深入的研究，并提出了诸多适用于移动RFID系统的双向认证协议，但都存在各种问题，使得RFID系统的安全性不能得到保障。

针对RFID系统存在的安全问题，国内外的学者提出了诸多解决方案，主要分为重量级协议、轻量级协议、超轻量级协议。重量级协议采用经典密码学算法，例如RSA、椭圆曲线加密算法以及对称加密算法等。但是由于无源标签不支持如此大量的运算和存储，因此不能得到很好的推广使用。超轻量级协议采用异或、位运算等实现加密，虽然加密算法的实现过程简单，但是因为算法的单一性，很容易遭受攻击，安全性不能得到很好的保障。轻量级协议一般采用Hash函数去实现加密，既满足了RFID系统轻量级的要求，也保证了系统的安全性。

本文参考了诸多前人的认证协议[3-10]。文献[3]提出了最初的HashLock协议。该协议采用基于Hash的随机应答机制。但是最后在服务器对标签进行应答时，会将标签ID进行明文发送，使得攻击者可以轻易地追踪标签，因此该协议不能有效地抵御跟踪攻击等，并且该协议不适用于新型移动RFID系统。文献[4]提出了一种新形式的移动RFID双向认证协议。该协议能够应用到移动RFID系统中去，并且在该协议中采用了椭圆曲线算法对信息进行加密，具有很好的安全性。但是因为加密算法中需要大量运算，现有的轻量级移动RFID系统中，计算量已经超出了标签的计算能力。文献[5]提出了一种基于动态ID的移动RFID认证协议，但是在该协议中最后阶段涉及到了ID的更新过程，容易因为物理干扰或者人为破坏，而导致ID更新不同步的情况，因此该协议不能有效地抵御去同步化攻击。文献[6]提出的协议满足了移动RFID系统的要求，在读写器与后台服务器之间加入了验证过程，但是忽略了标签与后台服务器之间的双向认证，因此该协议不能有效地抵御攻击者发起的假冒攻击。文献[7]中设计的协议满足了读写器、阅读器与标签三者之间的认证过程，但是其在信息更新时，一旦出现意外情况，就会导致后台服务器与标签之间的信息不同步。因此该协议不能很好地抵御异步攻击。

基于以往研究，本文提出了一种基于Hash运算的轻量级移动RFID双向认证协议。

1 改进的轻量级移动RFID双向认证协议

1.1 背景消除建模

在对当前存在的传统RFID双向认证协议和移动RFID双向认证协议进行分析研究后，在这些协议的基础上，提出了一个采用动态ID方式的移动RFID双向认证协议，并且该协议能够很好地满足RFID系统中对标签轻量级的要求，使用伪随机数产生器替代随机数产生器，降低标签的运算量。相比较于其他认证协议，该协议能够很好地抵御异步攻击、重放攻击等多种攻击。Hash函数因其单向不可逆的特性，被认为它在协议中是绝对安全的。表1给出了改进后的移动RFID双向认证协议涉及到的符号。

表1 移动RFID双向认证协议符号

1.2 协议的认证过程

本文提出的改进移动RFID双向认证协议如图1所示。

图1 协议执行

（1）阅读器首先向标签发送质询请求并发送一个随机数Nr。

（2）标签接到请求后，产生伪随机数Nt，计算P=Hkt(Nt⊕Nr⊕TID)，将计算结果分为左右两部分，将PL以及Nt作为对读写器的应答，并保留PR的值，便于接下来对于读写器身份的验证。

（3）阅读器接收到标签的应答后将自身保存的Nt'与Nt值进行比较，若相等则终止认证，否则计算Q=Hkr(RID⊕Nt⊕Nr)，将计算结果分为左右部分，将QL、Nr以及标签传递过来的消息发送给服务器。

（4）服务器接收到消息后，先判断Nr的值是否与自身保存的Nr'相等，若相等，终止认证，否则验证读写器的身份。从数据库中得到curRID和cur_kr的值，计算QL'=Hkr'(RID'⊕Nt⊕Nr)L是否与QL相等，若不相等，从数据库中取出上一轮的preRID和pre_kr再次计算QL'的值是否与QL相等，若不相等则终止认证，否则开始验证标签的身份。从数据库中得到curTID和cur_kt的值，计算PL'=Hkt(Nt⊕Nr⊕TID)L是否与PL相等，若不相等，从数据库中取出上一轮的preTID和pre_kt再次计算PL'的值是否与PL相等，若不相等则终止认证，若相等则开始更新对应信息。更新pre_kr=kr，pre_kt=kt，preRID=RID，preTID=TID，cur_kr=Hkr(kr⊕ RID)，cur_kt=Hkt(kt⊕ TID)，curRID=Hkr(Nr⊕ RID)，curTID=Hkt(Nt⊕ TID)，并将PR'与QR'发送给阅读器作为答复。

（5）读写器将自身保存的QR与QR'进行比较，若不相等，则认证失败，否则读写器与后台服务器之间的双向认证完成，读写器开始更新对应的kr和RID，并将PR'发送给标签。

（6）标签接收到消息后，拿出自身保存的PR与PR'进行比较，若不相等，则认证失败，否则更新TID与kt的值。

2 协议安全性分析

本文改进的协议运用了Hash不可逆运算、异或运算，以及伪随机数产生器等多项安全技术，在每轮认证中，信息都是变化的，因此协议具有良好的安全性。

2.1 跟踪攻击

跟踪攻击主要是通过追踪标签时在每轮认证过程中发出的一致消息，但是该协议内消息二中的消息随机数ID和密钥在每轮消息认证过程中都是动态改变的，即使追踪者每次都能拿到对应的消息，但是因为Hash函数具有单向且不可逆的性质，因此攻击者不能追踪到标签的ID值。

2.2 异步攻击

异步攻击是目前大多数采用动态ID机制协议普遍面临的问题。异步攻击发生在服务器端和标签端及读写器端，进行信息更新时，通过外界干扰，使它们之间存储的信息不同步，进而导致下次认证失败。在每次的协议认证过程中，都会对上一次的ID值进行保存，当发现认证不通过时，不会马上终止协议的认证，而是通过对应的ID去寻找上一次认证过程中的preID，看能否完成认证，从而有效地避免了异步攻击的问题。

2.3 重放攻击

重放攻击也是目前大多数协议中普遍存在的问题，攻击者通过截获上一轮认证的消息，在下一轮认证的过程中，冒充通信参与的一方，将上轮解惑的消息无改动地发送，以达到欺骗的目的。该协议中引入动态ID以及密钥的机制，每轮的消息认证都会产生不同的结果；同时该协议还采用了过滤机制，因此攻击者不能在服务器、读写器和标签之间成功地进行重放攻击。