一種RFID隱私保護(hù)雙向認(rèn)證協(xié)議

1 引 言

無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，利用它可以在遠(yuǎn)距離、惡劣環(huán)境下對集群目標(biāo)和移動目標(biāo)進(jìn)行快速信息采集和自動識別。因其不需要物理與視覺接觸便可以對目標(biāo)對象進(jìn)行識別而被看作是一項(xiàng)革命性的新技術(shù)。近年來，RFID在供應(yīng)鏈管理、動物識別管理、礦井管理、交通管理、電子錢包、生產(chǎn)線自動控制、軍事等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

一個完整的RFID系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、閱讀器和標(biāo)簽。雖然數(shù)據(jù)庫本身和閱讀器向服務(wù)器的認(rèn)證也存在安全問題，但它們有足夠的能源和計(jì)算資源，可以采用傳統(tǒng)的密碼算法來確保其安全。相比之下RFID標(biāo)簽的所帶來的安全性和隱私性問題顯得尤為突出。RFID標(biāo)簽與閱讀器之間的通信媒體是無線電，對攻擊者和其它未授權(quán)的閱讀器是完全暴露的，因此信息的傳遞缺乏機(jī)密性。在缺乏認(rèn)證的情況下，攻擊者可以采用重放合法閱讀器或標(biāo)簽信號的方式來假冒，以獲得標(biāo)簽或閱讀器的信任，進(jìn)而獲取秘密信息。第三方可以監(jiān)聽、干擾、篡改標(biāo)簽和閱讀器之間的會話，信息的完整性和可用性難以保證。攻擊者也可以通過監(jiān)聽來獲取敏感信息，并制造假標(biāo)簽，或通過監(jiān)聽、查詢來跟蹤標(biāo)簽和標(biāo)簽攜帶者。由于人們對安全性和隱私性越來越多的關(guān)注，有人稱RFID標(biāo)簽為“間諜芯片”和“跟蹤設(shè)備”，并建立組織來抵制任何RFID測試計(jì)劃。

2 解決安全性和隱私性的相關(guān)工作

由于RFID標(biāo)簽尺寸和成本的限制，設(shè)計(jì)RFID系統(tǒng)安全性和隱私性解決方案是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的研究工作，也是關(guān)系到RFID技術(shù)能否進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵。許多文章討論了RFID系統(tǒng)的安全性和隱私性，并提出了許多方案。根據(jù)所采取的安全機(jī)制，這些方案分為物理機(jī)制方案和加密機(jī)制方案。

2.1 物理機(jī)制方案

物理機(jī)制主要有：Kill命令機(jī)制、靜電屏蔽、阻塞法等。

“Kill命令機(jī)制”是在設(shè)計(jì)標(biāo)簽時(shí)使之能夠接受一個Kill命令。帶標(biāo)簽的產(chǎn)品在賣點(diǎn)掃描結(jié)賬后，向標(biāo)簽發(fā)出該命令，使標(biāo)簽自動失效。完全殺死標(biāo)簽可以完美的阻止掃描和追蹤，但對于消費(fèi)者來說，犧牲了RFID標(biāo)簽所有售后利益，比如售后服務(wù)、智能家庭應(yīng)用、產(chǎn)品交易與回收等。而且在很多情況下，標(biāo)簽不能被殺死，比如圖書館、租用商店等，他們必須保證標(biāo)簽?zāi)軌虮辉俅问褂谩?

“靜電屏蔽”是指將標(biāo)簽或帶標(biāo)簽的產(chǎn)品放入特制的具有靜電屏蔽功能的容器中再攜帶，使之不能與外界進(jìn)行電磁耦合，也就不會被訪問到。但顯然這種方法需要一個額外的物理設(shè)備，增加了系統(tǒng)的成本。

阻塞法依靠編入標(biāo)簽識別碼的可修改位來保護(hù)隱私性，這一位稱為隱私位，為0表示可以公開掃描，為1表示是私有。阻塞法依賴樹遍歷反沖突協(xié)議來起作用。除此之外，由于不可靠的RFID傳輸，可以造成阻塞的失敗。隨著閱讀器的發(fā)展，可以利用信號強(qiáng)度等特征來過濾阻塞信號。

2.2 加密機(jī)制方案

在目前提出的方案中采用的協(xié)議大多都是詢問／響應(yīng)的協(xié)議模式，不同之處在于所采用的算法不同。主要有基于單向Hash函數(shù)和基于傳統(tǒng)加密算法兩類。

基于單向Hash函數(shù)的安全協(xié)議主要包括Hashlock協(xié)議、隨機(jī)化Hash lock協(xié)議、Hash鏈協(xié)議、基于雜湊的ID變化協(xié)議、分布式RFID詢問／響應(yīng)認(rèn)證協(xié)議、LCAP協(xié)議等。文獻(xiàn)[1，4，5]提出的協(xié)議容易受到重傳和假冒攻擊。文獻(xiàn)[7]提出的方案在匹配標(biāo)簽ID時(shí)需要計(jì)算所有標(biāo)簽ID和所交換隨機(jī)數(shù)的Hash值，對于擁有大量標(biāo)簽的RFID系統(tǒng)，后端數(shù)據(jù)庫計(jì)算量太大。文獻(xiàn)[6，8]提出的方案用升級ID來防止重放攻擊，但存在數(shù)據(jù)庫與標(biāo)簽數(shù)據(jù)不同步的隱患。

基于傳統(tǒng)的加密算法的安全協(xié)議，文獻(xiàn)[9]提出基于矩陣乘法的認(rèn)證方案，由于標(biāo)簽存儲能力的限制，矩陣階數(shù)不能太大，因此作者分析了該方案存在的弱點(diǎn)是不能防止野蠻密鑰攻擊。文獻(xiàn)[10]提出基于橢圓曲線的公鑰認(rèn)證方案。文獻(xiàn)[11]提出的方案基于零知識證明思想。這類協(xié)議大部分在計(jì)算量和通信量上較大，適合于電能、計(jì)算能力和存儲能力限制不大的主動式RFID標(biāo)簽，不適合于低成本RFID標(biāo)簽。

3 零知識泄露的雙向RFID認(rèn)證協(xié)議

提出一種零知識泄露的雙向RFID認(rèn)證協(xié)議。對于低成本RFID標(biāo)簽來說，該協(xié)議有合適的通信量和計(jì)算量，并能夠有效地保護(hù)RFID系統(tǒng)的安全性和隱私性。首先，我們給出協(xié)議的主要思想，定義協(xié)議的假設(shè)，然后給出協(xié)議的描述。

為方便和簡化協(xié)議的描述，定義：T表示標(biāo)簽，R表示閱讀器，B表示后端數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，A表示攻擊者。

3.1 主要思想

由前面的安全性和隱私性分析可以看出，RFID安全弱點(diǎn)來自T和R之間不安全的無線通信接口。A可以干擾、篡改或竊聽T和R之間的通信，使T和B的數(shù)據(jù)不同步，可以對T和R實(shí)施重放攻擊，也可以在不被察覺的情況下跟蹤標(biāo)簽持有者的位置和行為，并模仿合法的T或R。而基于零知識證明的身份認(rèn)證機(jī)制的基本思想是：信息的擁有者可以在無需泄漏密秘信息的情況下就能夠向驗(yàn)證者證明它擁有該信息。因此，基于零知識的身份認(rèn)證機(jī)制很適合于RFID系統(tǒng)。

我們的協(xié)議采用在R與T之間傳送零知識認(rèn)證消息(Zero-knowledge Authentication Message，ZAM)的方式，在不泄露標(biāo)簽ID的情況下，實(shí)現(xiàn)R和T之間的雙向認(rèn)證，并為以后的會話提供一個一次一換的隨機(jī)會話密鑰(Random Session Key，RSK)和可以作為會話序號的時(shí)間戳(Date Timestamp，DT)。

3.2 假設(shè)

我們的方案主要針對低成本標(biāo)簽中可以執(zhí)行同步加密操作的一類標(biāo)簽(也稱為同步密鑰標(biāo)簽)，這類標(biāo)簽是目前低成本標(biāo)簽的主流和發(fā)展趨勢。根據(jù)Auto-ID中心的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)5美分標(biāo)簽時(shí)，集成電路芯片的成本不應(yīng)該超過2美分，也就是說用于安全和隱私保護(hù)的門電路數(shù)量不能超過2.5k～5k個。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，實(shí)現(xiàn)一個Hash函數(shù)單元只需要1.7k個門電路，實(shí)現(xiàn)一個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(Pseudorandom Number Generator，PRNG)也僅需要數(shù)百個門電路。因此，我們假設(shè)T有一個單向Hash函數(shù)H()，有一個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，有一定的存儲能力，有基本的運(yùn)算能力(如XOR)。T和B有相同的單向Hash函數(shù)，并預(yù)共享一個會話密鑰(Session Key，SK)。

R和B有很大的計(jì)算機(jī)能力，因此假設(shè)R和B之間的通信信道是安全的。

3.3 協(xié)議描述

協(xié)議執(zhí)行過程如圖1所示。