??射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術是20世紀90年代興起的一項非接觸式的自動識別技術，已經廣泛應用于工業(yè)生產和日常生活的各個方面，如商 品和證件的防偽、供應鏈管理、圖書管理、航空包裹管理和門禁等。由于缺乏可靠的信息安全機制，RFID系統(tǒng)無法有效地保護射頻標簽中的數(shù)據信息。如果標簽 中的信息被竊取，甚至被惡意篡改，將可能帶來無法估量的損失。另外，不具有可靠的信息安全機制的射頻標簽，還存在易向鄰近的讀寫器泄漏敏感信息、易被干擾 和易被跟蹤等安全隱患。如果RFID的安全性不能得到充分保證，RFID系統(tǒng)中的個人信息、商業(yè)機密和工業(yè)機密，都有可能被不法分子盜竊和利用。目 前，RFID的安全性已成為制約RFID廣泛應用的重要因素之一。 ??1 RFID系統(tǒng)構成及協(xié)議分析 ??1．1 RIFD系統(tǒng)構成 ??RFID系統(tǒng)一般由電子標簽（Tag）、讀寫器（Read—er）和后端數(shù)據庫（Database）三部分組成，如圖l所示。電子標簽是物品識別的載體， 它由天線、射頻電路、存儲器以及組成。電子標簽與傳統(tǒng)的條碼技術相比最大的優(yōu)點是可以對其中的數(shù)據進行反復擦寫，從而可以實現(xiàn)重復利用。讀寫器是 一個帶有天線的無線發(fā)射與接收設備，用于讀取標簽中攜帶的信息并且對標簽寫入數(shù)據。后端數(shù)據庫中保存了標簽與讀寫器的所有信息，通過與讀寫器的相互通信實 現(xiàn)對整個RFID系統(tǒng)運作的管理。 ?? ??標簽與讀寫器之間的工作頻率分為低頻、中高頻、超高頻等，現(xiàn)有的電子標簽大多工作在13．56 MHz，而工作在超高頻（UHF）915 MHz的標簽傳輸距離更長。依據其能量來源，標簽可以分為有源和無源兩類，前者內置電池；后者的能量則是來自于讀寫器，其工作原理是當標簽進入讀寫器的磁 場后由天線獲得感應電流轉換為芯片的電源，從而完成信息的發(fā)送接收和數(shù)據的處理。因此915 MHz無源電子標簽成本低廉，使用壽命長，傳輸距離遠，具有更好的應用前景。 ??1．2 EPCglobal協(xié)議安全性分析 ??目前尚未有全球統(tǒng)一的RFID規(guī)范，主要有ISO18000系列標準，歐美的EPC規(guī)范和日本的UID規(guī)范等。在EPCglobal Class一1 Generation一2協(xié)議中，讀寫器采用選擇（Select）、盤存（Inventory）、訪問（Access）三個基本操作管理標簽群，同時標簽 根據閱讀器的操作有就緒（Ready）、仲裁（Arbitrate）、應答（Reply）、確認（Acknowledge）、開放（Open）、保護 （Secured）、殺死（Ki11）七種狀態(tài)，如圖2所示。 ?? ??上電后標簽處于就緒狀態(tài)，接收到讀寫器發(fā)出的請求時通過防碰撞算法選擇惟一的標簽進行訪問，并進入仲裁狀態(tài)；此時如果讀寫器再次發(fā)起有效的命令請求，標簽 將會返回一個隨機數(shù)（RN），同時進入應答狀態(tài)；讀寫器將會發(fā)送包含有RN*的命令，標簽比較接收到的RN*與自身的RN，如果相等則反向散射其存儲的 PC、EPC等信息，進入仲裁狀態(tài)。讀寫器可以繼續(xù)向標簽發(fā)送請求使之進入開放狀態(tài)，通過Read，Write等命令對標簽進行讀寫，如果讀寫器持有者擁 有訪問密碼還可以使標簽進入保護狀態(tài)，或者通過殺死命令使標簽進入永久失效的狀態(tài)。 ??在EPC協(xié)議中存在著若干安全問題，從標簽中讀取的信息是以明文方式傳送，會輕易向周圍的攻擊者泄漏標簽中保存的信息。讀寫器在對標簽進行寫操作時會使用 一個句柄RN與待寫入的數(shù)據異或后傳送，這樣避免了明文傳輸，但是攻擊者可以很容易截獲作為命令句柄的RN，從而分析出要寫入標簽的信息，甚至冒充合法讀 寫器對標簽的數(shù)據任意篡改。 ??????? 2 RFID安全方案 ??根據系統(tǒng)結構和協(xié)議分析，RFID系統(tǒng)的安全性應從以下方面來改進： ??（1）采用標簽與讀寫器相互認證的機制，防止非法的讀寫器獲取標簽信息或篡改標簽數(shù)據，或者偽造的標簽哄騙讀寫器。 ??（2）避免通信過程中使用明文傳輸，由于RFID標簽成本低、功耗小、資源少的限制，應選取合適的加密算法。 ??（3）除了讀寫器與標簽之間的通信，后端數(shù)據庫的管理在RFID系統(tǒng)的安全中也起到了重要的作用，該部分受到攻擊會導致系統(tǒng)中大量標簽的數(shù)據、密鑰等信息泄漏，造成無法估計的損失，所以應加強數(shù)據庫管理。 ??2．1 相互認證 ??RFID安全機制研究多是基于密碼技術的研究，目前已經提出了多種安全協(xié)議，例如Hash—Lock協(xié)議、隨機化Hash—Lock協(xié)議、分布式RFID 詢問一應答認證協(xié)議等，這些方法彌補了RFID協(xié)議中的一些安全漏洞，在一定程度上提高了系統(tǒng)安全性，但是仍有明顯的安全弱點。在Hash—Lock協(xié)議 中存在著標簽ID的明文傳輸，攻擊者很容易獲得該ID進行偽造，而且容易對標簽進行跟蹤。 ??針對以上問題，采用讀寫器與標簽相互認證的機制，在系統(tǒng)的認證過程中加入了讀寫器對標簽的認證，防止非法讀寫器通過攻擊標簽獲取信息或者未授權的讀寫器跟 蹤標簽。同時在標簽中加入了密文信息，通過數(shù)字簽名技術保護標簽中的秘密信息不被非法讀取。后端數(shù)據庫和標簽包含的數(shù)據信息如圖3所示。 ?? ??標簽與讀寫器之間的相互認證過程如圖4所示。 ?? ??首先標簽對讀寫器進行認證，過程如下： ??（1）讀寫器發(fā)送請求； ??（2）標簽接收到請求信號后發(fā)送一個隨機數(shù)，并且利用存儲器中的合法讀寫器ID（Ri）與該隨機數(shù)進行加密計算得到Encrypt（RN，Ri）； ??（3）讀寫器接收到隨機數(shù)后與自身ID進行與標簽中相同的加密計算得到Encrypt*（RN，Ri），并且發(fā)送給標簽。標簽接收到該數(shù)據后與步驟（2） 中得出的En—crypt（RN，Ri）比較，如果相同則該讀寫器為合法的，標簽進入下一個操作，否則返回初始狀態(tài)。 ??讀寫器對標簽的認證過程如下： ??（1）讀寫器認證通過后，標簽向讀寫器發(fā)送請求； ??（2）讀寫器接收到請求信號后返回一個隨機數(shù)RN給標簽； ??（3）標簽將接收到的隨機數(shù)與自身ID（Ti）進行加密計算，并將密文Encrypt（RN，Ti）傳輸給讀寫器； ??（4）讀寫器將該密文用RN解密，得到Ti*，并回傳給后端數(shù)據庫； ??（5）后端數(shù)據庫快速查找是否存在該標簽的ID，如果存在則證明該標簽為合法標簽，返回確認信息（ACK）； ??（6）讀寫器確認該標簽為合法標簽后開始對標簽進行訪問或讀寫，整個認證過程完成。 ??2．2 DES算法對系統(tǒng)安全性的加強 ??在以上認證過程中，Encrypt為加密函數(shù)，目前已有許多優(yōu)秀的加密算法如ECC，RSA，AES等，但是這些算法資源開銷過大，不適合用于低成本的 RFID標簽電路中。而DES算法設計的初衷就是為了硬件電路的實現(xiàn)，加解密速度快，安全性好，從產生到現(xiàn)在仍然有著廣泛的應用。本系統(tǒng)采用的是一種改進 的DES算法，適用于RFID系統(tǒng)。 ??DES算法的核心是一個輪函數(shù)，明文數(shù)據經過初始置換后進行16次輪函數(shù)的操作，最后經過一個逆初始置換輸出結果。在每一次輪函數(shù)中所使用的密鑰 Ki是初始密鑰經過置換后的，所以每一輪的密鑰都不同；對于輸入的64 b明文，分成長度相同的兩部分Li，Ri，則輸出給下一輪的64 b數(shù)據為： ?? ??其中E表示將右半部分的32 b數(shù)據擴展為48 b，與密鑰異或后經過8個S盒，每個S盒接收6 b的輸入，產生4 b的輸出。然后經過一個置換矩陣P，與左半部分再次異或后作為下一輪函數(shù)的右半部分數(shù)據。 ??由于S盒在整個算法中占據了很大的面積和功耗，所以本文針對原有算法對S盒進行改進，采用單個S盒來代替原來的8個，將經過擴展的48 b數(shù)分成8塊，通過一個多路選擇器依次通過S盒，再將產生的結果合成為一個32 b數(shù)輸入置換矩陣P（如圖5）。這樣就大大減少了電路的規(guī)模，同時由于尺寸的減小整個電路的功耗也會降低，更適合用于RFID標簽。 ??