基于Hash链的RFID认证协议

　　0引言

　　射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是一种非接触式的自动识别技术。RFID系统通过射频信号来识别目标对象，可工作在各种恶劣的环境下，且使装备该标签的设备变得智能，可以实现与信息系统进行实时交流。RFID技术的应用遍及各个领域，例如商品溯源、移动支付、供应链溯源、门禁系统等。随着物联网的不断发展和RFID的大规模使用，如何在保证RFID系统安全性的前提下，提高RFID系统的认证效率，成为影响RFID大规模推广应用的技术难点。

　　1相关研究

　　近年来，RFID安全问题成为研究热点之一，由于RFID标签自身资源的限制，在设计RFID标签认证协议时，除了考虑安全性，还要考虑标签自身存储空间和运算能力限制的问题。

　　为了提高RFID安全性，目前一般采用两种手段：物理方式和密码学方式。物理方式需要额外的设备支持，增加了成本，同时使用会造成一定的不便，所以密码学是提高RFID安全性的主流方式。

　　近年来密码学中有众多的加密技术，主要包括AES、DES、基于Hash函数的加密算法等。AES、DES等加密方式因资源消耗大，受RFID标签自身资源的限制，较少被使用，而基于Hash函数的安全机制资源消耗相对较低，因此基于Hash函数的认证协议受到越来越多的关注。NTT实验室提出了Hash链方法［1］，它是一种采用共享秘密的询问—应答协议，具有不可分辨性和前向安全性，但该协议只能进行单向认证，安全性上存在一定缺陷，后台数据检索计算量大；袁署光［2］等人提出一种基于Hash函数的认证协议，其利用对称秘钥方式，能够抵御重传攻击、假冒攻击等，但该协议服务器运算量巨大，数据库检索命中率低；刘明生［3］等人提了的基于Hash函数的RFID安全认证协议，协议中传递标签ID的Hash值为静态的，能有效降低后端数据库检索数据的计算量，但不能提高检索的命中率，并且存在被跟踪的风险。

　　2安全问题分析

　　RFID系统面临的安全问题［4］主要包括：(1)假冒攻击(spoofing attack)，通过使用假冒读写器来记录标签的响应，再用该响应去响应合法的读写器，让合法的读写器认为该标签还存在，通过RFID的认证，事实上该标签已经离去；(2)重传攻击(replay attack)，是通过截取标签和读写器之间通信的有效信号，再在RFID系统中进行重传而对系统进行的一种攻击；(3)去同步化(desynchronization)，指通过对标签进行恶意认证或者攻击，导致后端数据与标签中存储的信息不一致，进而导致标签无法认证的一种攻击。

　　3认证方案

　　通过标签访问计数器值的自更新特性与密值，结合Hash函数进行RFID认证，虽然能够抵抗标签伪装等攻击，但是该协议标签数量较大，若干标签存在恶意认证时，根据k值来检索数据库中标签记录，将导致检索范围过大，标签记录命中率降低，而数据库的每次数据比对都会进行一定量的Hash计算，这会导致服务器耗费大量的时间和资源来进行运算，进而导致这个RFID系统效率低下。

　　针对基于Hash链的RFID安全双向认证协议做如下改进：对k值进行分层化处理，可以有效提高数据库标签记录检索的命中率；认证请求中使用RFID读写器产生随机数，将标签响应中推算出的随机数与该随机数进行比较，过滤无效的认证会话；RFID读写器保存上一次认证会话中接收的标签响应，RFID读写器接收到的标签响应与上次会话中使用的标签响应进行比较，如果相同就过滤该认证会话（标签在每次认证会话中会更新认证响应），提高认证请求的有效性，减少服务器的运行压力。有关协议中的参数如表1所示。

　　预备：对每个标签的k值的范围进行分层化处理，例如0~999,1 000~9 999，将k置为所在分层的最小值。当k为所在分层区间k的最大值时，k+1将重置k的值为该分层区间的最小值，同时置f的值为“1”，每个标签配置一个初始密值S，为RFID系统筛选两个碰撞和复杂度都较低的Hash函数，将标签k、ID、S存储到数据库。

　　步骤（1）：RFID读写器产生一个随机数rR，向标签发送Query、rR认证请求。

　　步骤(2)：标签接收到RFID读写器发送的认证请求后，将k值与随机数rR相加得到rk，然后标签读取存储器数据，计算G(IDrk),G(S),然后向RFID读写器发送k、rk、G(IDrk)、G(S)以及标志位f；同时更新S=H(S)，更新k=k+1，当k为所在分层的最大值时，k+1将重置k的值为该分层的最小值，同时置f的值为“1”，否则f值不更新。

　　步骤(3)：RFID读写器接收到来自标签的信息后，先通过rk和k计算出随机数rR′，比较该rR′是否与刚发出的rR一致，如果不一致，则该数据为无效数据，直接丢弃；如果一致则进一步判断G(IDrk)和G(S)。比较与该阅读器上次认证时保留的G(ID′rk′)和G(S′)是否一致，如果一致则为无效数据，直接丢弃；如果不一致，则将数据k、rk、G(IDrk)、G(S)以及标志位f发送到后端数据库。

　　步骤(4)：后端服务器接收到RFID读写器传递的数据后，先判断k值的范围区间，确定该标签在哪个分层，然后判断f值是否为“1”，如果是转入①，否则转入②。

　　①在数据库中找到该分层的所有标签数据记录，检查该记录中是否还有没有对比的记录，如果有转入③；否则，标签不合法，停止认证。

　　②在数据库中找到该分层的标签数据记录，在此记录中检查是否还有符合k″≤k没有对比的记录，如果有转入④；否则，标签不合法，停止认证。

　　③读取一条还没有对比的标签数据记录的ID″，计算G(ID″rk)，再与G(IDrk)比较，如果相等，则转入⑤，否则转入①。

　　④读取一条k″≤k且还没有对比的标签数据记录的ID″，计算G(ID″rk)，再与G(IDrk)比较，如果相等，则转入⑥，否则转入②。

　　⑤比较k与k″的大小，如果k与k″相等则取d=0，否则取d=k+l-k″；然后比较G(Hd(S″))与G(S)，如果相等，则转入⑦，否则转入①。

　　⑥计算d=k-k″，然后比较G(Hd(S″))与G(S)，如果相等，则转入⑦，否则转入②。

　　⑦后端数据库更新当前标签记录的访问计数器k″=k+1和密值S″=Hd+1(S″)，如果k为该区间的最大值，则k″置为该区间的最小值，然后计算G(ID″S″)发送给标签。

　　步骤（5）：阅读器将后端服务器发送来的G(ID″S(k″))转发给标签。

　　步骤（6）：标签从存储器中获取ID与密值S，计算G(IDS)与G(ID″S″)是否相等，如果相等则认证成功，同时将标志位f置为“0”，否则认证失败。

　　协议认证过程如图1所示。

　　4协议安全性分析

　　RFID系统面临的主要安全问题［6］有：假冒攻击、重传攻击、追踪、去同步化。这里定义读写器向标签传递信息的无线信道为前向信道，标签向读写器传递信息的无线信道为后向信道［7］，对协议进行安全性分析。

　　4.1假冒攻击

　　攻击者使用伪装的读写器通过前向信道向标签发送Query和rR认证请求，获取到标签的响应k、rR、f、G(IDrk)、G(S)；再在下一次与合法读写器进行认证时，读写器发送Query和rR认证请求，攻击者通过后向信道使用上次截获的k、rk、f、G(IDrk)、G(S)来响应读写器，然而由于读写器每次发送的rR都是一个随机产生的随机数，所以前后两次的随机数rR和rk-k不一致，无法进行假冒攻击。

　　4.2重传攻击

　　在读写器向标签发送Query和rR认证请求之后，攻击者获取到k、rk、f、G(IDrk)、G(S)；在以后的认证会话中，攻击者通过后向信道响应k、rk、f、G(IDrk)、G(S)，从而发动重传攻击；在读写器接收到k、rk、f、G(IDrk)、G(S)过后，进行一次过滤处理，与上一次接收到的G(ID″rk′)、G(S′)进行比较，看数据内容是否相同，如果相同，则直接丢弃该数据，然后再判决rk-k和rR的值是否一致，因为前后两次认证过程中读写器生成的rR不同，由此可见该协议对重传攻击具有安全性。

　　4.3追踪

　　攻击者使用伪装的读写器向标签发送认证请求，获取到标签的响应k、rk、f、G(IDrk)、G(S)，然后通过该响应来追踪该标签；由于每次发起认证请求时，读写器都会重新产生一个随机数用于认证，并且标签自生的k、S(k)也是不断变化的，所以rk也会不断变化，f值只能是“0”或“1”无法实现追踪，因此该标签的响应是不断变化的，所以该协议能够很好地抵制追踪攻击。

　　4.4去同步化

　　认证过程中，因为采用的是无线信道，故有可能造成数据传输的丢失，或人为对标签进行恶意攻击，然后导致标签的数据与后端数据库数据不一致，使标签无效化，无法完成认证操作。后端数据库可以根据k值和f值来确保标签密值的成功匹配，每次成功认证过后，后端数据库也会根据标签传来的信息，更新后端数据库的数据。

　　5协议效率分析

　　本协议对Hash链的RFID安全双向认证协议［5］做了改进，进一步提高了后端数据库检索的效率，读写器端增加过滤功能，能够有效地拦截恶意的认证请求，很好地减少服务器资源的浪费。

　　通过k值的分层化处理可以有效地缩小数据检索的范围，快速定位到需要检索的k值的数值范围，从而确定待检索的数据记录所在的k值分层；再根据k值进一步缩小检索数据记录的范围，因为在f为“0”时，被检索记录的k″必须满足k″≤k。

　　标志位“f”的作用主要是为了处理k值在完成多次认证过后导致k值越界，导致标签去同步化，无法进行认证。

　　在认证会话中，读写器不是将标签响应的数据进行一个简单的数据传递，让服务器进行数据的处理；而是对标签响应的数据进行了一个数据过滤，能够有效地过滤无效认证会话和恶意认证，降低服务器的运行负荷，避免不必要的服务器资源浪费。

　　6性能分析

　　本文使用MATLAB对基于Hash链的RFID安全双向认证协议提出的基于Hash链的RFID安全双向认证协议与本文改进的协议进行了仿真测试，对比了后端服务器在比较次数、哈希运算次数的差别。本文提出的改进协议细节上与基于Hash链的RFID安全双向认证协议有些不同,有的特性未在测试数据上很好地体现出来，例如标签阅读器的过滤功能，可以过滤一部分无效的认证请求，降低后端服务器的运行负荷。

　　将基于Hash链的RFID安全双向认证协议测试组命名为A组，本文改进协议分成3组进行测试，分别命名为B组、C组和D组。测试中先去除标签阅读器的过滤功能。假定A组中一共有2 000个标签，后端服务器也有2 000条对应的标签数据，并且每个标签和服务器之间已发生不超过50次的随机访问会话，同时标签数据与后端服务器同步，再随机抽取200个标签发生随机次数(不超过20次)的恶意访问，造成标签数据与后端数据库数据的不同步，然后随机发起2 000 000次的访问会话。B组分为a1、b1分层，C组分为a2、b2、c2分层，D组分为a3、b3、c3、d3分层，每个分层的标签数、k值范围以及发生随机恶意访问(不超过20次)的标签数具体信息如图2所示。首先每个分层的每个标签与服务器之间发生不超过50次的随机访问会话，同时标签数据与后端服务器是同步的，再随机抽取表2中所述的标签个数发生随机次数(不超过20次)的恶意访问，造成标签数据与后端数据库的不同步，最后以组为单位，每组随机发起2 000 000次的访问会话，统计以上A、B、C、D四组数据可以得到表3测试数据。

　　本文协议对标签k进行分层处理后，分为多个组，根据以上测试结果可以得出，相比基于Hash链的RFID安全双向认证协议，本文协议能有效地减少后端服务器的运算次数，其次k值分层处理的分层数越多，后端服务器的运算次数越少。

　　7结束语

　　随着物联网的不断发展，RFID系统被广泛使用，但RFID安全问题和认证效率问题成为制约RFID系统广泛使用的关键。由于RFID标签自身的局限性，采用密码学的RFID安全认证协议成为提高认证效率和解决RFID安全性问题的重要方法。本文提出了一种基于Hash链的改进协议，能有效地抵抗假冒攻击、重传攻击、追踪和去同步化，利用访问计数器值的分层特性及自更新和重置特点，提高了数据库中标签数据的命中率，通过标签阅读器的过滤功能，有效地过滤无效的认证请求，从而降低了RFID认证时后台服务器的资源消耗，有效提高系统的认证效率。