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摘要：目前射频识别（RFID）系统的安全受到越来越多的重视。该文在总结目前存在的主要攻击方式的基础上对现有RFID系统安全保护协议进行了分析，针对现有协议的弊端在原有的Hash-Lock协议基础之上引入DES算法设计出一种新的阅读器和标签相互认证协议，并对新协议的执行过程进行了详细论述，最后对新协议的性能进行了分析。分析结果表明，新协议能够弥补现有协议的不足，更好的适应射频识别用户对自身安全和隐私进行保护的需要。
关键词：射频识别；协议；DES加密算法；认证；安全与隐私
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）30-6926-03
物联网的出现及在全球范围内的广泛普及极大的改变了人们的生活，人们深刻体会到了这种新技术带来的种种便利。然而就在人们对其津津乐道的同时，越来越多的人开始担心起这种新技术给我们带来的有关安全方面的新的问题。随着世界范围内用户对自身隐私保护意识的不断增强，已经有越来越多的人把目光投向了对物联网用户信息及数据安全和个人隐私的保护上来。作为物联网的关键技术之一的RFID系统，由于其使用的传输信道是极不安全的无线信道，因此关于它的安全防护方案已经引起了业界的广泛关注。
1 RFID系统主要攻击方式
目前在RFID系统的应用过程中，主要面临以下几种攻击方式：
伪造攻击：攻击者可以通过窃听获得电子标签的内容，从而对标签进行简单复制。
重放攻击：攻击者可以偷听电子标签的响应信息并将这一信息重新传给合法的读写器。
中间人攻击：指攻击者伪装成合法的读写器获得电子标签的响应信息，并用这一信息伪装成合法的电子标签来响应读写器。这样，在下一轮通信前，攻击者可以获得合法读写器的认证。
拒绝服务攻击：攻击者截获标签发送的信息后，对该信息进行修改，然后发送给阅读器。阅读器将这一修改后的信息发送给后端服务器，后端服务器要对存储在数据库中的所有标签信息进行搜索计算然后才能确定此标签不能被认证，此时如果攻击者反复发送修改后的信息就会让系统瘫痪。
2 现有的安全协议分析
目前用于对射频识别系统的阅读器和标签之间的通信进行保护的安全协议主要有Hash-Lock协议、随机化 Hash-Lock协议、Hash链协议、基于杂凑的ID变化协议以及数字图书馆协议。将他们直接应用到物联网中射频识别技术的安全与隐私保护中去，会暴露出各种各样的问题。
使用Hash-Lock协议，可以防止标签泄露ID信息。但是，由于标签ID和metaID的不变性，以及metaID是没有经过任何加密的在不安全的前向信道中进行传输，因此该协议很容易受到伪造和重放攻击，攻击者也很容易对标签进行跟踪。
使用随机化 Hash-Lock协议，由于引入了随机数，使得标签和阅读器之间传输的信息每次不同，攻击者无法对标签进行追踪。但是，由于每次验证后端数据库都要将所有标签的ID发送给阅读器，如果系统需要验证的标签数量增加，必然会引起阅读器与后台数据库之间通信信道的拥堵，甚至有可能造成拒绝服务攻击。
使用Hash链协议和基于杂凑的ID变化协议，由于后端数据库都要进行穷举搜索，其计算量相当庞大，一旦标签复杂度提高或者是被攻击者假冒，势必会引起拒绝服务。同时由于这几种协议的计算量庞大，又要求在标签上提供两个以上的函数，这势必会导致标签成本的大幅增加。而物联网产生的原因就是要在世界范围内实现物与物的互联，要想实现这种全球范围内的互联，降低互联成本是关键，因为一旦成本增加，就会有一些公司、企业或者是个人不愿意或者没办法加入到这个互联网上，因此也就谈不上是全球化的网络了
3 协议设计
正如前边讨论的那样，现在设计物联网中RFID系统安全与隐私保护的方案重点应该放在既能保护系统安全和用户个人隐私，又可以大幅度的降低成本，也就是说安全与节约并重。因此在前面讨论的Hash-Lock协议的基础上引入分组密码算法中的对称密码算法DES来对标签和阅读器之间传输的数据进行加密，来增强Hash-Lock协议的安全性，即使攻击者获得密文之后由于没有解密密钥也无法获取传输的敏感信息。由于阅读器可能工作在多种系统的标签同时存在的环境，因此在对标签进行认证之前，先使用阅读器对标签是否属于本系统进行验证，这样可以避免经过大量的计算工作之后再判断标签的合法性，提高系统的响应速度，减少后台数据库的工作量。
考虑到我们需要降低标签的成本，因此我们采用成本相对比较低廉的无源标签做为射频识别系统所使用的标签。并假设标签中已经添加了实现Hash函数的电路和实现DES算法解密的硬件电路，且Hash函数是我们需要的满足强无碰撞性的Hash函数，DES算法解密函数是与阅读器中DES算法加密函數相配对的。而且一旦认证成功之后，标签会进入安全模式，只接受它认证成功的阅读器对其进行的操作。在阅读器中我们要集成对信息使用DES算法进行加密的电路，并存储有后端数据库的标识，及该标识的Hash值。
在初始状态下，标签中存储有自身的真实ID以及自己所属数据库的标识P。标签阅读器中存储有与其配对的数据库的标识P’及其Hash值H（P’）。后端数据库中存储有所有属于该数据库的标签的ID及每个ID所对应的Hash值H（ID）。
协议的执行行过程如下：
1）标签阅读器向标签发送请求验证的信号Query。
2）标签收到阅读器的请求信号后，将其所属数据库的标识P进行Hash运算并将运算得到的Hash值H（P）发送给标签阅读器。
3）标签阅读器将收到的H（P）与自身存储的H（P’）进行比较，如果一致，则向该标签发送进一步进行验证的信号Query2。如果不一致，则证明该标签不属于自身数据库系统，不再对其进行验证，转而向下一个标签发送信号。 4）在收到阅读器发送过来的请求信号Query2之后，标签将自身ID进行Hash运算得到Hash值H（ID），并将H（ID）发送给标签阅读器。
5）标签阅读器将H（ID）转发给后端数据库。
6）后端数据库收到H（ID）之后搜索数据库，查找是否有某个IDi满足使得H（IDi）= H（ID）成立，若有，则认证标签身份成功，并为这个已经验证的标签产生一个新的身份号ID’，在ID的记录下产生一个新的字段存储ID’。然后将IDi和ID’发送给标签阅读器，否则认证失败。
7）阅读器收到IDi和ID’后，将IDi和ID使用DES算法进行加密，获得密值K（IDi）和K（ID’），并将K（IDi）和K（ID’）发送给标签。
8）标签收到K（IDi）和K（ID’）后，对K（IDi）进行解密，得到IDi，与自身ID进行比对，验证IDi=ID是否成立，若成立，则认证阅读器成功，然后对K（ID’）进行解密获得ID’，不成立则认证失败。
9）标签和数据库同时刷新标签ID成ID’。标签进入安全模式，可以接受阅读器对其进行的操作。
4 协议分析
1）数据机密性：原来采用Hash-Lock协议来实现标签和标签阅读器之间的双向认证时，由于标签和阅读器之间的通信是在不安全的无线信道进行的明文通信，因此很容易受到攻击者的攻击。本协议在设计的时候采用了公认比较好的加密算法DES算法，对二者之间的通信信息进行加密处理。由于在不知道密钥的情况下对使用该算法进行加密的密文进行解密需要的时间相对较长，至少需要几个小时，而在攻击者通过几个小时的解密之后获得标签的ID之后，此时真实标签的ID早已经进行了更新。因此本文设计的协议达到了保护数据机密性的要求。
2）数据完整性与真实性：Hash函数的强无碰撞性决定了攻击者无法找到另外一个IDj使得H（IDj）=H（ID）成立，因此也就伪造成合法标签对通信信息进行篡改。即使攻击者采用的是被称为中间人攻击的攻击手段，它伪装成标签阅读器接收标签发送过来的信息，然后利用这一信息再伪装成标签与合法的阅读器之间进行通信，由于阅读器给标签发送的请求继续进行认证的信号Query2是经过加密的，同样的理由，当攻击者利用穷搜索的办法进行破解之后，标签ID已经改变了，它已经无法伪装成合法标签而与后端数据库进行通信，反而浪费了很多人力物力。
3）用户隐私保护：物联网用户关注越来越多的就是用户的个人隐私问题。他们关心在使用物联网产品的时候，自己的身份信息、位置信息乃至于个人的爱好、兴趣等信息会不会由于使用了方便快捷的网络而广泛传播在整个网络之中。采用本文设计的协议进行身份认证并进而完成通信的过程中，用户所使用的标签每次在与系统进行通信后都会与后端数据库一起刷新自己的标签ID，因此攻击者无法有效地对标签进行追踪，因而也就无法知道标签携带者的地理位置，甚至无法知道是哪个用户使用了这个标签，从而实现了对用户隐私信息的有效保护。
4）拒绝服务攻击：由于在后台数据库对自身数据库进行搜索以判断标签是否是本数据库所属标签之前，协议采用了阅读器对标签的所属性进行判断的方法，将所有不属于本系统的标签加以排除，因而可以在一定程度上减少后端数据库的计算量，减少了拒绝服务攻击的可能性。同时由于将判断标签归属问题的操作从后端数据库转移到了标签阅读器，使得后端数据库不需要在每次对标签进行认证时将所有标签的ID号一起发送给标签阅读器，这就大大减少了阅读器与后端数据库之间的通信量，解决了安全信道的信息
5 结束语
由于本文所提方案只是在理论上进行了分析与讨论，并没有在硬件上加以实现，因而可能会有很多从理论转化为实践过程中产生的问题，所以今后的工作一方面就是要在硬件上对整个协议进行实现，通过实践来检验理论的正确性。同时，随着工业技术的不断进步，制造硬件设备的成本逐渐降低，因此以后可以研究把更为安全的对称加密算法（例如RSA、Elgamal等）引入进来，与现有的安全协议协同工作，共同保护物联网用户的安全和隐私。
参考文献：
[1] 刘秀丽.2010 IOT 系统研究报告[EB/OL]. （2011-02-18）.http：//doc.mbalib.com/view/58a981615c0b9d4bf953ab9fee7872bb.html.
[2] 惠越超.低成本射频识别系统安全研究[D].苏州：苏州大学，2010.
[3] JIN Hong-ying，TIAN Min.Research on Security Issues of RFID Technology in IOT[C].CITCS2012： Lanzhou， Gansu，China，2012.
[4] 王良民，茅冬梅，梁军.基于RFID系统的隐私保护技术[J].江苏大学学报：自然科学版，2012，33（6）.
[5] 廖志鹏，黄俊，雷杏.基于RFID超低功耗射频标签的研究与实现[J].压电与声光，2012，34（6）.
[6] 高飞，薛艷明，王爱华.物联网核心技术——RFID原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2010.
[7] 米志强，杨署.RFID安全策略分析[J].物流工程与管理，2009，33（5）.
[8] 周晓光，王晓华.射频识别（RFID）技术原理与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[9] 赵军辉.射频识别技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.
[10] 高超.RFID通信软件设计[D].南京：南京理工大学，2009.
[11] 李洪旭，刘宇红.DES算法在RFID安全中的应用[J].通信技术，2012（12）.
[12] 胡婕.RFID安全认证的研究与应用[D].南京：南京邮电大学，2011.
[13] 张成海，张铎.物联网与产品电子代码（EPC）[M].武汉：武汉大学出版社，2010.
[14] 物联网[EB/OL].（2010-12）.http：//baike.baidu.com/view/1136308.html.
关键词：射频识别；协议；DES加密算法；认证；安全与隐私
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）30-6926-03
物联网的出现及在全球范围内的广泛普及极大的改变了人们的生活，人们深刻体会到了这种新技术带来的种种便利。然而就在人们对其津津乐道的同时，越来越多的人开始担心起这种新技术给我们带来的有关安全方面的新的问题。随着世界范围内用户对自身隐私保护意识的不断增强，已经有越来越多的人把目光投向了对物联网用户信息及数据安全和个人隐私的保护上来。作为物联网的关键技术之一的RFID系统，由于其使用的传输信道是极不安全的无线信道，因此关于它的安全防护方案已经引起了业界的广泛关注。
1 RFID系统主要攻击方式
目前在RFID系统的应用过程中，主要面临以下几种攻击方式：
伪造攻击：攻击者可以通过窃听获得电子标签的内容，从而对标签进行简单复制。
重放攻击：攻击者可以偷听电子标签的响应信息并将这一信息重新传给合法的读写器。
中间人攻击：指攻击者伪装成合法的读写器获得电子标签的响应信息，并用这一信息伪装成合法的电子标签来响应读写器。这样，在下一轮通信前，攻击者可以获得合法读写器的认证。
拒绝服务攻击：攻击者截获标签发送的信息后，对该信息进行修改，然后发送给阅读器。阅读器将这一修改后的信息发送给后端服务器，后端服务器要对存储在数据库中的所有标签信息进行搜索计算然后才能确定此标签不能被认证，此时如果攻击者反复发送修改后的信息就会让系统瘫痪。
2 现有的安全协议分析
目前用于对射频识别系统的阅读器和标签之间的通信进行保护的安全协议主要有Hash-Lock协议、随机化 Hash-Lock协议、Hash链协议、基于杂凑的ID变化协议以及数字图书馆协议。将他们直接应用到物联网中射频识别技术的安全与隐私保护中去，会暴露出各种各样的问题。
使用Hash-Lock协议，可以防止标签泄露ID信息。但是，由于标签ID和metaID的不变性，以及metaID是没有经过任何加密的在不安全的前向信道中进行传输，因此该协议很容易受到伪造和重放攻击，攻击者也很容易对标签进行跟踪。
使用随机化 Hash-Lock协议，由于引入了随机数，使得标签和阅读器之间传输的信息每次不同，攻击者无法对标签进行追踪。但是，由于每次验证后端数据库都要将所有标签的ID发送给阅读器，如果系统需要验证的标签数量增加，必然会引起阅读器与后台数据库之间通信信道的拥堵，甚至有可能造成拒绝服务攻击。
使用Hash链协议和基于杂凑的ID变化协议，由于后端数据库都要进行穷举搜索，其计算量相当庞大，一旦标签复杂度提高或者是被攻击者假冒，势必会引起拒绝服务。同时由于这几种协议的计算量庞大，又要求在标签上提供两个以上的函数，这势必会导致标签成本的大幅增加。而物联网产生的原因就是要在世界范围内实现物与物的互联，要想实现这种全球范围内的互联，降低互联成本是关键，因为一旦成本增加，就会有一些公司、企业或者是个人不愿意或者没办法加入到这个互联网上，因此也就谈不上是全球化的网络了
3 协议设计
正如前边讨论的那样，现在设计物联网中RFID系统安全与隐私保护的方案重点应该放在既能保护系统安全和用户个人隐私，又可以大幅度的降低成本，也就是说安全与节约并重。因此在前面讨论的Hash-Lock协议的基础上引入分组密码算法中的对称密码算法DES来对标签和阅读器之间传输的数据进行加密，来增强Hash-Lock协议的安全性，即使攻击者获得密文之后由于没有解密密钥也无法获取传输的敏感信息。由于阅读器可能工作在多种系统的标签同时存在的环境，因此在对标签进行认证之前，先使用阅读器对标签是否属于本系统进行验证，这样可以避免经过大量的计算工作之后再判断标签的合法性，提高系统的响应速度，减少后台数据库的工作量。
考虑到我们需要降低标签的成本，因此我们采用成本相对比较低廉的无源标签做为射频识别系统所使用的标签。并假设标签中已经添加了实现Hash函数的电路和实现DES算法解密的硬件电路，且Hash函数是我们需要的满足强无碰撞性的Hash函数，DES算法解密函数是与阅读器中DES算法加密函數相配对的。而且一旦认证成功之后，标签会进入安全模式，只接受它认证成功的阅读器对其进行的操作。在阅读器中我们要集成对信息使用DES算法进行加密的电路，并存储有后端数据库的标识，及该标识的Hash值。
在初始状态下，标签中存储有自身的真实ID以及自己所属数据库的标识P。标签阅读器中存储有与其配对的数据库的标识P’及其Hash值H（P’）。后端数据库中存储有所有属于该数据库的标签的ID及每个ID所对应的Hash值H（ID）。
协议的执行行过程如下：
1）标签阅读器向标签发送请求验证的信号Query。
2）标签收到阅读器的请求信号后，将其所属数据库的标识P进行Hash运算并将运算得到的Hash值H（P）发送给标签阅读器。
3）标签阅读器将收到的H（P）与自身存储的H（P’）进行比较，如果一致，则向该标签发送进一步进行验证的信号Query2。如果不一致，则证明该标签不属于自身数据库系统，不再对其进行验证，转而向下一个标签发送信号。 4）在收到阅读器发送过来的请求信号Query2之后，标签将自身ID进行Hash运算得到Hash值H（ID），并将H（ID）发送给标签阅读器。
5）标签阅读器将H（ID）转发给后端数据库。
6）后端数据库收到H（ID）之后搜索数据库，查找是否有某个IDi满足使得H（IDi）= H（ID）成立，若有，则认证标签身份成功，并为这个已经验证的标签产生一个新的身份号ID’，在ID的记录下产生一个新的字段存储ID’。然后将IDi和ID’发送给标签阅读器，否则认证失败。
7）阅读器收到IDi和ID’后，将IDi和ID使用DES算法进行加密，获得密值K（IDi）和K（ID’），并将K（IDi）和K（ID’）发送给标签。
8）标签收到K（IDi）和K（ID’）后，对K（IDi）进行解密，得到IDi，与自身ID进行比对，验证IDi=ID是否成立，若成立，则认证阅读器成功，然后对K（ID’）进行解密获得ID’，不成立则认证失败。
9）标签和数据库同时刷新标签ID成ID’。标签进入安全模式，可以接受阅读器对其进行的操作。
4 协议分析
1）数据机密性：原来采用Hash-Lock协议来实现标签和标签阅读器之间的双向认证时，由于标签和阅读器之间的通信是在不安全的无线信道进行的明文通信，因此很容易受到攻击者的攻击。本协议在设计的时候采用了公认比较好的加密算法DES算法，对二者之间的通信信息进行加密处理。由于在不知道密钥的情况下对使用该算法进行加密的密文进行解密需要的时间相对较长，至少需要几个小时，而在攻击者通过几个小时的解密之后获得标签的ID之后，此时真实标签的ID早已经进行了更新。因此本文设计的协议达到了保护数据机密性的要求。
2）数据完整性与真实性：Hash函数的强无碰撞性决定了攻击者无法找到另外一个IDj使得H（IDj）=H（ID）成立，因此也就伪造成合法标签对通信信息进行篡改。即使攻击者采用的是被称为中间人攻击的攻击手段，它伪装成标签阅读器接收标签发送过来的信息，然后利用这一信息再伪装成标签与合法的阅读器之间进行通信，由于阅读器给标签发送的请求继续进行认证的信号Query2是经过加密的，同样的理由，当攻击者利用穷搜索的办法进行破解之后，标签ID已经改变了，它已经无法伪装成合法标签而与后端数据库进行通信，反而浪费了很多人力物力。
3）用户隐私保护：物联网用户关注越来越多的就是用户的个人隐私问题。他们关心在使用物联网产品的时候，自己的身份信息、位置信息乃至于个人的爱好、兴趣等信息会不会由于使用了方便快捷的网络而广泛传播在整个网络之中。采用本文设计的协议进行身份认证并进而完成通信的过程中，用户所使用的标签每次在与系统进行通信后都会与后端数据库一起刷新自己的标签ID，因此攻击者无法有效地对标签进行追踪，因而也就无法知道标签携带者的地理位置，甚至无法知道是哪个用户使用了这个标签，从而实现了对用户隐私信息的有效保护。
4）拒绝服务攻击：由于在后台数据库对自身数据库进行搜索以判断标签是否是本数据库所属标签之前，协议采用了阅读器对标签的所属性进行判断的方法，将所有不属于本系统的标签加以排除，因而可以在一定程度上减少后端数据库的计算量，减少了拒绝服务攻击的可能性。同时由于将判断标签归属问题的操作从后端数据库转移到了标签阅读器，使得后端数据库不需要在每次对标签进行认证时将所有标签的ID号一起发送给标签阅读器，这就大大减少了阅读器与后端数据库之间的通信量，解决了安全信道的信息
5 结束语
由于本文所提方案只是在理论上进行了分析与讨论，并没有在硬件上加以实现，因而可能会有很多从理论转化为实践过程中产生的问题，所以今后的工作一方面就是要在硬件上对整个协议进行实现，通过实践来检验理论的正确性。同时，随着工业技术的不断进步，制造硬件设备的成本逐渐降低，因此以后可以研究把更为安全的对称加密算法（例如RSA、Elgamal等）引入进来，与现有的安全协议协同工作，共同保护物联网用户的安全和隐私。
参考文献：
[1] 刘秀丽.2010 IOT 系统研究报告[EB/OL]. （2011-02-18）.http：//doc.mbalib.com/view/58a981615c0b9d4bf953ab9fee7872bb.html.
[2] 惠越超.低成本射频识别系统安全研究[D].苏州：苏州大学，2010.
[3] JIN Hong-ying，TIAN Min.Research on Security Issues of RFID Technology in IOT[C].CITCS2012： Lanzhou， Gansu，China，2012.
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[5] 廖志鹏，黄俊，雷杏.基于RFID超低功耗射频标签的研究与实现[J].压电与声光，2012，34（6）.
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[8] 周晓光，王晓华.射频识别（RFID）技术原理与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[9] 赵军辉.射频识别技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.
[10] 高超.RFID通信软件设计[D].南京：南京理工大学，2009.
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[13] 张成海，张铎.物联网与产品电子代码（EPC）[M].武汉：武汉大学出版社，2010.
[14] 物联网[EB/OL].（2010-12）.http：//baike.baidu.com/view/1136308.html.