Key值更新隨機Hash鎖對RFID安全隱私的加強

RFID是20世紀(jì)90年代興起的一項非接觸式的自動識別技術(shù)，其無線通信方式和無可視性讀寫的要求，給我們帶來了極大方便，也帶來了很多安全隱私問題。針對RFID 的安全隱私問題， 目前國內(nèi)外開展了很多加強RFID安全隱私保護的研究，并提出了一系列的方法，如Hash鎖、隨機Hash鎖和Hash鏈，但這些方法存在安全性不高或效率低等缺陷。本文針對現(xiàn)有方法的不足，進一步對RFID的安全隱私保護展開研究。

1 RFID技術(shù)及其安全隱私分析

RFID系統(tǒng)主要由閱讀器、標(biāo)簽及后端數(shù)據(jù)庫組成，如圖1所示。

目前RFID技術(shù)已經(jīng)吸引了工業(yè)和學(xué)術(shù)界越來越多的關(guān)注，并已廣泛地應(yīng)用于供應(yīng)鏈管理、門禁控制、電子錢包[1]等各種場合。然而RFID技術(shù)屬于非接觸式自動識別技術(shù)，其面臨的安全隱私威脅主要有：

(1)非法讀取。商業(yè)競爭者可通過未授權(quán)的閱讀器快速讀取超市的商品標(biāo)簽數(shù)據(jù)，獲取重要的商業(yè)信息;

(2)位置跟蹤。通過RFID標(biāo)簽掃描，依據(jù)標(biāo)簽的特定輸出可對消費者位置進行跟蹤定位;

(3)竊聽。因RFID系統(tǒng)在前向信道的信號傳輸距離

較遠，竊聽者可輕易竊取閱讀器發(fā)出的信號數(shù)據(jù);

(4)拒絕服務(wù)。人為的信號干擾使得合法閱讀器不能正常閱讀標(biāo)簽數(shù)據(jù);

(5)偽裝哄騙。通過偽裝成合法標(biāo)簽，哄騙閱讀器為其提供錯誤的數(shù)據(jù);

(6)重放。根據(jù)竊聽到的閱讀器和標(biāo)簽問的數(shù)據(jù)通信，重復(fù)之前的通信行為從而獲取數(shù)據(jù)信息。

2 RFID安全隱私保護

RFID的安全隱私問題阻礙了RFID技術(shù)的進一步推廣，引起了消費者的高度關(guān)注，加強對RFID 的安全隱私保護有著極其重要的意義。

2.1前提與要求

假定閱讀器與后臺數(shù)據(jù)庫的通信是在一條安全可靠的有連接信道上進行，但閱讀器與標(biāo)簽之間的無線通信易被竊聽。要普及RFID技術(shù)，必須保證RFID標(biāo)簽的低成本實現(xiàn)。

由于標(biāo)準(zhǔn)的安全機制要求的計算比較復(fù)雜，如SHA一1約需12K個門，這在低成本標(biāo)簽上無法實現(xiàn)，因此可采用低成本的單向Hash函數(shù)進行加密[2]。

安全的RFID 系統(tǒng)應(yīng)能抵御各種攻擊，且考慮到較壞的情況，即使外人獲得了標(biāo)簽內(nèi)部的秘密數(shù)據(jù)，也應(yīng)保證其無法追蹤到跟標(biāo)簽有關(guān)的歷史活動信息，即保證前向安全性。

2,2典型方法

典型的加強RFID安全隱私保護的訪問控制方法主要有Hash鎖、隨機Hash鎖和Hash鏈，它們都是基于單向Hash函數(shù)實現(xiàn)的。

2.2.1 Hash鎖(Hash Lock)[2]

采用Hash鎖方法控制標(biāo)簽的讀取訪問，其工作機制如下：

鎖定標(biāo)簽：對于唯一標(biāo)志號為ID的標(biāo)簽，首先閱讀器隨機產(chǎn)生該標(biāo)簽的Key，計算metaID=Hash(Key)，將metaID發(fā)送給標(biāo)簽;標(biāo)簽將metaID存儲下來，進入鎖定狀態(tài)。閱讀器將(metaID，Key，ID)存儲到后臺數(shù)據(jù)庫中，并以metaID 為索引。

解鎖標(biāo)簽：閱讀器詢問標(biāo)簽時，標(biāo)簽回答metaID;閱讀器查詢后臺數(shù)據(jù)庫，找到對應(yīng)的(metaID，Key，ID)記錄，然后將該Key值發(fā)送給標(biāo)簽;標(biāo)簽收到Key值后，計算Hash(Key)值，并與自身存儲的metaID值比較，若Hash(Key)=metaID，標(biāo)簽將其ID發(fā)送給閱讀器，這時標(biāo)簽進入已解鎖狀態(tài)，并為附近的閱讀器開放所有的功能，如圖2所示。

方法的優(yōu)點：解密單向Hash函數(shù)是較困難的，因此該方法可以阻止未授權(quán)的閱讀器讀取標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)，在一定程度上為標(biāo)簽提供隱私保護;該方法只需在標(biāo)簽上實現(xiàn)一個Hash函數(shù)的計算，以及增加存儲metaID值，因此在低成本的標(biāo)簽上容易實現(xiàn)。

方法的缺陷：由于每次詢問時標(biāo)簽回答的數(shù)據(jù)是特定的，因此其不能防止位置跟蹤攻擊;閱讀器和標(biāo)簽問傳輸?shù)臄?shù)據(jù)未經(jīng)加密，竊聽者可以輕易地獲得標(biāo)簽Key和ID值。

2.2.2隨機Hash鎖(Random Hash Lock)

為了解決Hash鎖中位置跟蹤的問題，將Hash鎖方法加以改進，采用隨機Hash鎖方法。首先介紹字符串連接符號“ ，如標(biāo)簽ID和隨機數(shù)R的連接即表示為“IDIIR”。該方法中數(shù)據(jù)庫存儲各個標(biāo)簽的ID值，設(shè)為IDl、ID2.

在該方法中，標(biāo)簽每次回答是隨機的，因此可以防止依據(jù)特定輸出而進行的位置跟蹤攻擊。但是，該方法也有一定的缺陷：(1)閱讀器需要搜索所有標(biāo)簽ID，并為每一個標(biāo)簽計算Hash(IDkIIR)，因此標(biāo)簽數(shù)目很多時，系統(tǒng)延時會很長，效率并不高;(2)隨機Hash鎖不具備前向安全性，若敵人獲得了標(biāo)簽ID值，則可根據(jù)R值計算出Hash(IDIIR)值，因此可追蹤到標(biāo)簽歷史位置信息。

2.2.3 Hash鏈(Hash Chain)[4]

NTT實驗室提出了一個Hash鏈方法，其保證了前向安全性，工作機制如下：鎖定標(biāo)簽：對于標(biāo)簽ID，閱讀器隨機選取一個數(shù)Sl發(fā)送給標(biāo)簽，并將(ID，S )存儲到后臺數(shù)據(jù)庫中，標(biāo)簽存儲接收

到Sl后，進入鎖定狀態(tài)。

解鎖標(biāo)簽：在第i次事務(wù)交換中，閱讀器向標(biāo)簽發(fā)出詢問消息，標(biāo)簽回答ai=G(S。)，并更新Si+l=H(s。)，其中G和H為單向Hash函數(shù)，如圖4所示。

閱讀器接收到ai后，搜索數(shù)據(jù)庫中所有的(ID，S1)數(shù)據(jù)對，并為每個標(biāo)簽計算

ai =G(H (s1))，比較ai*是否等于ai，若相等，則返回相應(yīng)ID。

方法優(yōu)點：具有不可分辨性，因為G是單向Hash函數(shù)，外人獲得a。值不能推算出S。值，當(dāng)外人觀察標(biāo)簽輸出時，G輸出的是隨機數(shù)，所以不能將a。和a。+l聯(lián)系起來;具有前向安全性，因為H是單向Hash函數(shù)，即使竊取了Si+1值，也無法推算出S 值，所以無法獲得標(biāo)簽歷史活動信息。

方法缺點：需要為每一個標(biāo)簽計算ai*：G(H (s1))，假設(shè)數(shù)據(jù)庫中存儲的標(biāo)簽個數(shù)為N，則需進行N個記錄搜索，2N個Hash函數(shù)計算，N次比較，計算和比較量較大，不適合標(biāo)簽數(shù)目較多的情況。

3 Key值更新隨機Hash鎖

鑒于上述幾種安全隱私保護方法存在的缺陷，并結(jié)合幾種方法的思想，本文提出了一種“Key值更新隨機Hash鎖”方法，實現(xiàn)了安全高效的讀取訪問控制。

3.1工作原理

數(shù)據(jù)庫記錄主要包括4列：H(Key)，ID，Key，Pointer，主鍵為H(Key)。其中ID為標(biāo)簽唯一標(biāo)志號，Key是閱讀器為每個標(biāo)簽選取的隨機關(guān)鍵字，H(Key)是Key的單向Hash函數(shù)H計算值，Pointer是數(shù)據(jù)記錄關(guān)聯(lián)指針，主要用來保證數(shù)據(jù)的一致性[5]。

下面詳細闡述該方法的基本工作原理：

(1)鎖定標(biāo)簽

對于標(biāo)簽ID，首先閱讀器隨機選取一個數(shù)作為該標(biāo)簽的Key，將Key值發(fā)送給該標(biāo)簽，并建立標(biāo)簽在數(shù)據(jù)庫中的初始記錄(H(Key)，ID，Key，0))，標(biāo)簽將接收到的Key值存儲下來后，進入鎖定狀態(tài)。

(2)解鎖標(biāo)簽

1)數(shù)據(jù)庫首先產(chǎn)生一個隨機數(shù)R，傳送給閱讀器，然后閱讀器將詢問消息Query和R都發(fā)送給標(biāo)簽;

2)標(biāo)簽根據(jù)接收到的R和自身Key值，計算H(Key)和H(KeylIR)的值，然后將(H(Key)，H(KeylIR))數(shù)據(jù)對發(fā)送給閱讀器，接著自行計算H(IDIIR)和Key =S(key)，但此時Key值并不更新。

3)閱讀器查找數(shù)據(jù)庫中的記錄， 若找到記錄i：

(H(Keyi)，IDk，Key。，Pointeri)，其中H(Key。)：H(Key)，則數(shù)據(jù)庫計算H(KeyjIIR)，并比較H(Key ItR)與接收到的H(KeyIIR)值是否相等。若不相等，則忽略此消息，表明標(biāo)簽是非法標(biāo)簽，在此閱讀器完成對標(biāo)簽的合法性驗證;若相等則繼續(xù)下一步;

4)數(shù)據(jù)庫計算H(IDkIIR)的值，并將IDk和H(IDkIIR)的值都傳送給閱讀器。然后閱讀器將H(IDkIIR)發(fā)送給標(biāo)簽;

5)數(shù)據(jù)庫計算Key*i=S(key。)和H(Key* )的值。若Pointeri：O， 則在數(shù)據(jù)庫中添加新的記錄J：(H(Key*i)，IDbKey i，i)，并將記錄i修改成(H(Key。)，IDbKeyij); 若Pointer !=O， 則找到第Pointer。條記錄， 將其修改成(H(Key i)，IDk，Key i，i);

6)在標(biāo)簽接收到H(IDkIIR)后，比較其與標(biāo)簽在第2步中計算的H(IDIIR)是否相等，若相等，則將自身的Key值更新為Key ，標(biāo)簽進入解鎖狀態(tài)，對閱讀器開放其所有功能;若不相等，表明閱讀器是非法閱讀器，標(biāo)簽保持沉默，在此標(biāo)簽完成對閱讀器的驗證。如圖5所示。

3.2數(shù)值實驗

設(shè)數(shù)據(jù)庫初始時存儲了兩個標(biāo)簽，ID分別為1、2，隨機選擇的Key分別為5、12，數(shù)據(jù)庫初始化如表1所示。

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設(shè)閱讀器要詢問ID為1的標(biāo)簽，首先閱讀器向標(biāo)簽發(fā)送詢問消息和隨機數(shù)3，標(biāo)簽向閱讀器回答數(shù)據(jù)(H(5)，H(5II3))，接著自行計算自身的H(IDIIR)=H(1Il3)值和Key =s(5);閱讀器根據(jù)H(5)查找后臺數(shù)據(jù)庫，找到記錄1：(H(5)，1，5,0)，數(shù)據(jù)庫計算H(KeyllR)=H(5lI3)，與接收到的H(5113)相等，至此驗證了標(biāo)簽是合法的;接著數(shù)據(jù)庫計算H(IDIIR)=H(1 113)，并將(1，H(1113))傳送給閱讀器，由此閱讀器知道了該標(biāo)簽的ID為1，然后閱讀器將H(1113)發(fā)送給標(biāo)簽; 數(shù)據(jù)庫計算Key*I=s(5)， 由于PointerI=0，數(shù)據(jù)庫中新建一條記錄3：(H(s(5))，1，s(5)，1)，并將記錄1修改為(H(5)，1，5，3)。標(biāo)簽接收到數(shù)據(jù)H(1 113)后，比較發(fā)現(xiàn)其等于之前計算的H(IDIIR)，于是將自身Key值更新為s(5)。此時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

下一次再與標(biāo)簽1通信時，數(shù)據(jù)庫根據(jù)標(biāo)簽的H(Key)=H(s(5))查找到第3條記錄，該記錄的Pointer為1，則第2次更新Key值的記錄將會覆蓋第1條記錄。

當(dāng)標(biāo)簽被詢問過一次之后，數(shù)據(jù)庫中始終保持了兩條與該標(biāo)簽有關(guān)的數(shù)據(jù)記錄，這主要

是為了保證數(shù)據(jù)的一致性。假設(shè)在這次通信中閱讀器發(fā)送的數(shù)據(jù)H(ll3)并未成功地被標(biāo)簽接收到，則標(biāo)簽1的Key值將不會更新，此時數(shù)據(jù)庫的第3條記錄是錯誤的。那么在下次與標(biāo)簽1的通信中，查找到的仍是記錄1，數(shù)據(jù)庫根據(jù)記錄1的Pointer值為3，將修改第3條記錄，如此就保證了數(shù)據(jù)的一致性。

3.3性能分析與方法特點

(1)簡單實用。將隨機數(shù)產(chǎn)生器等復(fù)雜的計算移到了后臺數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)，降低了標(biāo)簽的復(fù)雜性，標(biāo)簽只需要實現(xiàn)兩個Hash函數(shù)H和s，這在低成本的標(biāo)簽上較易實現(xiàn)。

(2)前向安全。因為標(biāo)簽的Key值在每次事務(wù)交換后被單向Hash函數(shù)s更新，外人即使獲取了當(dāng)前標(biāo)簽Key*值，也無法推算出之前的Key值，所以無法獲得標(biāo)簽相關(guān)的歷史活動信息。

(3)機器運算負載小，效率高。在每次詢問過程中，設(shè)數(shù)據(jù)庫中存儲的標(biāo)簽個數(shù)為N，本方法中后臺數(shù)據(jù)庫需執(zhí)行2N個記錄搜索(因每個標(biāo)簽存在兩條記錄)，進行3個Hash函數(shù)H(KeylIR)、S(Key)、H(IDIIR)計算和1次值比較，以及產(chǎn)生1個隨機數(shù)R。相比于Hash鏈方法需計算2N個Hash函數(shù)、N個記錄搜索和N個值比較，因為Hash函數(shù)的計算時延較長，資源消耗大，所以當(dāng)N很大時，本方法系統(tǒng)的負載將要小得多，速度較快，延時較短，效率較高，但安全性更高。

(4)適應(yīng)標(biāo)簽數(shù)目較多的情況。隨著標(biāo)簽數(shù)目的增加，計算機搜索與計算所需要的時間緩慢增加，可適應(yīng)標(biāo)簽數(shù)目較多的情況。

(5)實現(xiàn)了身份的雙向驗證。通過Hash(KeyllR)的計算比較，閱讀器實現(xiàn)了對標(biāo)簽的驗證;通過Hash(IDIIR)的計算比較，標(biāo)簽實現(xiàn)了對閱讀器的驗證。

(6)有效實現(xiàn)安全隱私保護。

1)防非法讀?。褐挥薪?jīng)過合法認證的閱讀器才可讀取標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息;

2)防位置跟蹤：由于隨機數(shù)R和標(biāo)簽的Key值是更新變化的，因此每次回答的數(shù)據(jù)(H(Key)，H(KeylIR))值也是不同的，可以防止外人根據(jù)特定輸出而進行的跟蹤定位;3)防竊聽：傳輸?shù)腎D值和Key都經(jīng)過了Hash函數(shù)加密，外人很難解密得出ID和Key的值，因此有效地防止了竊聽;

4)防偽裝哄騙：由于外人無法獲知Key值，因此無法模擬合法標(biāo)簽發(fā)送(H(Key)，H(KeylIR))數(shù)據(jù)，故有效地防止了偽裝哄騙攻擊;

5)防重放：每次產(chǎn)生的R值是隨機的，外人即使竊聽了合法閱讀器前一次發(fā)送的H(ID IIR)數(shù)據(jù)，也無法再次模擬出H(ID IIR)值，有效地防止了重放攻擊。

4結(jié)束語

“Key值更新隨機Hash鎖”方法具有成本低、負載小、效率高、安全性好等特點，且能保證前向安全性，基本上彌補了目前安全保護方法安全性不夠和效率低等缺陷，是一種較為實用的算法。但此方法還存在一些不足，如尚無法防止敵人根據(jù)流量分析(計算標(biāo)簽的個數(shù))而進行的定位跟蹤，同時安全性提高也增加了標(biāo)簽部分計算時延，這些尚需進一步研究改進。