淺談基于哈希函數(shù)的RFID身份認(rèn)證協(xié)議

摘要：對基于哈希函數(shù)的RFID身份認(rèn)證協(xié)議進行了簡要的介紹，對多個協(xié)議的安全性能進行了詳細的分析和比較，指出其存在的安全缺陷，并提出相應(yīng)的改進思路。

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)，可以視為無線版本的條形碼，具有使用時間長、讀取精度高、能夠加密標(biāo)簽數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)容量更大、操作便捷等優(yōu)點。RFID技術(shù)在生活中的應(yīng)用日趨廣泛，其安全與隱私問題也日益受到關(guān)注，比如偽造標(biāo)簽、非法訪問等。身份認(rèn)證是保證信息安全的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于RFID系統(tǒng)中標(biāo)簽的存儲空間和計算能力有限，難以進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)加、解密運算，因此輕量級的RFID身份認(rèn)證協(xié)議成為當(dāng)前研究的熱點之一。

　　現(xiàn)有的輕量級RFID身份認(rèn)證協(xié)議多數(shù)基于哈希函數(shù)，其中比較典型的有：哈希鎖協(xié)議^[1]、隨機哈希鎖協(xié)議^[2]、哈希鏈協(xié)議^[3]等，這幾個協(xié)議都存在無法保障用戶隱私、標(biāo)簽容易追蹤等安全隱患。對此，Shen等人提出了一種基于匿名機制的RFID身份認(rèn)證協(xié)議ARAP(Anonymous RFID Authentication Protocol) ^[4]。本文將對多個RFID身份認(rèn)證協(xié)議進行簡要介紹，著重對其安全性能進行討論和比較。

1 協(xié)議簡介

1.1 哈希鎖協(xié)議

　　哈希鎖協(xié)議采用哈希函數(shù)實現(xiàn)簡單的訪問控制，工作原理如圖1所示：閱讀器存儲每個標(biāo)簽的訪問密鑰Key，并生成metaID=hash(key)，寫入標(biāo)簽。標(biāo)簽接收到閱讀器的訪問請求時，發(fā)送metaID，閱讀器則查出相應(yīng)的key發(fā)給標(biāo)簽。標(biāo)簽計算并判斷hash(key)與metaID是否相同，若相同，則把自己的ID信息發(fā)給閱讀器。

1.2 隨機哈希鎖協(xié)議

　　隨機哈希鎖是哈希鎖協(xié)議的改良，工作原理如圖2所示：當(dāng)收到閱讀器的訪問請求時，標(biāo)簽先生成一個隨機數(shù)R，并和計算的h(IDk||R)一起發(fā)給閱讀器。閱讀器將此信息轉(zhuǎn)送給后臺數(shù)據(jù)庫，后臺數(shù)據(jù)庫則需要窮舉所有標(biāo)簽的ID_i來計算h(ID_i||R)，直至找到計算值與接收到的哈希值相同的ID_i，閱讀器將此ID_i發(fā)回，對標(biāo)簽進行解鎖和訪問。

1.3 哈希鏈協(xié)議

　　在哈希鏈協(xié)議中，標(biāo)簽和閱讀器共享兩個哈希函數(shù)H和G，H用來進行更新，G用來計算響應(yīng)消息，具體過程如圖3所示，S為共享的初始隨機標(biāo)識符。在收到閱讀器的查詢請求時，標(biāo)簽返回ai=G(Si)，同時更新當(dāng)前的Si為Si+1 =H(Si)，準(zhǔn)備接受閱讀器的下一個訪問請求。

1.4 ARAP協(xié)議

　　在ARAP協(xié)議中，閱讀器R和標(biāo)簽T都擁有一個偽隨機數(shù)發(fā)生器，每個標(biāo)簽T都與后端數(shù)據(jù)庫DB共享一個初始秘密x_T，DB能夠根據(jù)T的假名P遍歷出初始共享的秘密x_T，實現(xiàn)對T的身份認(rèn)證。具體認(rèn)證過程如圖3所示：

　　(1)R→T：R向T發(fā)送認(rèn)證請求Query和隨機數(shù)r_R;

　　(2)T→R：T計算S=h(P⊕x_T)和M=h(r_T⊕r_A⊕P)⊕S，并向R發(fā)送消息{r_T，P，M}作為應(yīng)答，其中x_T是T與R互相共享的秘密;

　　(3)R→DB：R向DB發(fā)送消息{r_T，r_R，P，M};

　　(4)DB→R：DB收到消息后，計算S’=h(P⊕x_T)和M’=h(r_T⊕r_A⊕P)⊕S’，驗證M’與M是否相等。若相等，則通過認(rèn)證，DB計算N’=h(M’⊕S’)發(fā)送給R。否則，認(rèn)證失敗，協(xié)議終止。

　　(5)R→T：R收到N’后轉(zhuǎn)發(fā)給T，T計算N=h(M⊕S)，驗證N’與N是否相等，若相等，則R通過認(rèn)證，T更新假名P，否則認(rèn)證失敗，協(xié)議終止。

2 協(xié)議的安全和性能分析

2.1 協(xié)議的安全性分析

　　哈希鎖協(xié)議為標(biāo)簽提供初步的訪問控制，可在一定程度上保護標(biāo)簽數(shù)據(jù)，抵抗非法訪問攻擊^[5]。但由于每次標(biāo)簽響應(yīng)時均使用固定的metaID，攻擊者可將此當(dāng)作對應(yīng)標(biāo)簽的別名，跟蹤標(biāo)簽及其攜帶者。此外，密鑰key通過明文傳輸，攻擊者容易竊取，并可以通過記錄、計算組合(metaID，key，ID)，在與合法標(biāo)簽或者閱讀器的信息交互中進行假冒攻擊。

　　隨機哈希鎖協(xié)議采用基于隨機數(shù)的詢問/應(yīng)答機制，可防止標(biāo)簽被跟蹤，保護其隱私。但由于標(biāo)簽的返回消息不包含能夠唯一確定本次會話的標(biāo)識，攻擊者可以此進行重放和假冒攻擊。再者，每確認(rèn)一個標(biāo)簽身份都需要遍歷數(shù)據(jù)庫所存的所有ID，認(rèn)證過程耗時較多，且容易遭受拒絕服務(wù)攻擊。因此哈希鎖協(xié)議的可擴展性較差，只適用于小規(guī)模應(yīng)用。

　　在哈希鏈協(xié)議中，標(biāo)簽使用不同的標(biāo)識符響應(yīng)閱讀器的詢問，以確保前向安全性，但無法抵抗假冒閱讀器的攻擊。此外，閱讀器收到標(biāo)簽的響應(yīng)后，需要計算數(shù)據(jù)庫中所有標(biāo)簽標(biāo)識符的哈希值來與之匹配。若標(biāo)簽被攻擊者惡意掃描多次，則將導(dǎo)致窮舉匹配時標(biāo)簽的認(rèn)證時間過長，系統(tǒng)無法正常工作。因此，哈希鏈協(xié)議也只適合小規(guī)模的應(yīng)用，且無法抵抗重放和拒絕服務(wù)攻擊。

　　ARAP協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)匿名雙向認(rèn)證，標(biāo)簽使用了大量假名來防止被跟蹤，能夠很好地保障用戶的隱私，且協(xié)議每執(zhí)行一次，假名P就隨之更新，能夠有效抵抗重放攻擊。在通常情況下，ARAP協(xié)議執(zhí)行時保持標(biāo)簽和閱讀器共享的信息同時更新，能夠抵抗拒絕服務(wù)攻擊。

　　但是，ARAP協(xié)議也存在因異或不當(dāng)而被攻擊者假冒的安全隱患[6-7]。在ARAP協(xié)議的第2步中，標(biāo)簽T計算了S=h(P⊕x_T)和M=h(r_T⊕r_A⊕P)⊕S，其中P為標(biāo)簽的匿名，x_T為共享秘密，r_A和r_T分別為攻擊者與標(biāo)簽生成的偽隨機數(shù)。若攻擊者截取了消息M，r_A，r_T，P，利用異或運算的性質(zhì)(a⊕a=0，a⊕0=a)，則可直接計算M⊕h(r_T⊕r_A⊕P)=h(r_T⊕r_A⊕P)⊕S⊕h(r_T⊕r_A⊕P) =S，從而獲取S，就相當(dāng)于獲得了閱讀器向標(biāo)簽進行認(rèn)證的鑰匙N’=h(M⊕S)，攻擊者可假冒閱讀器向標(biāo)簽發(fā)送N’，從而獲取標(biāo)簽的信任，成功進行假冒攻擊。

　　綜上，可通過表1對上述協(xié)議的安全性進行比較，其中ARAP協(xié)議比其他3個協(xié)議復(fù)雜，安全性能也略勝一籌。無法抵抗假冒攻擊是ARAP協(xié)議的重大缺陷。

2.2 協(xié)議的性能分析

　　在RFID系統(tǒng)中，標(biāo)簽的存儲空間和計算能力有限，認(rèn)證協(xié)議在解決安全性問題的同時，也要盡可能減少標(biāo)簽的計算量和存儲容量，以降低標(biāo)簽的成本。在此對典型的RFID身份認(rèn)證協(xié)議進行對比，比較各協(xié)議中標(biāo)簽、閱讀器和后端數(shù)據(jù)庫的計算量，結(jié)果如表2所示。其中，“H”表示Hash運算的次數(shù)，“X”表示異或運算的次數(shù)，“R”表示產(chǎn)生隨機數(shù)的次數(shù)，“N”表示數(shù)據(jù)庫存儲的標(biāo)簽數(shù)量，“j”表示Hash鏈的長度。

　　通過比較，哈希鎖協(xié)議的計算量是最小的，但其安全性得不到保證。隨機哈希鎖協(xié)議和哈希鏈協(xié)議的計算量與標(biāo)簽數(shù)量成正比，且執(zhí)行過程需要遍歷計算，只適合小規(guī)模應(yīng)用。ARAP協(xié)議的計算量相對較大，但其并沒有采用計算開銷大的操作，協(xié)議中的哈希運算、異或運算、隨機數(shù)運算標(biāo)簽都夠?qū)崿F(xiàn)，在RFID系統(tǒng)可執(zhí)行的能力范圍之內(nèi)，具有較高的可行性。

3 結(jié)束語

　　本文主要對基于哈希函數(shù)的四種RFID身份認(rèn)證協(xié)議進行了簡要介紹和安全性能分析，與哈希鎖協(xié)議、隨機哈希鎖協(xié)議和哈希鏈協(xié)議相比，ARAP協(xié)議的安全性能較好，但存在因異或不當(dāng)而遭受假冒攻擊的安全隱患。對此，需要對部分異或運算和驗證操作進行修改，將標(biāo)簽用戶的秘密隱藏入哈希函數(shù)中，使攻擊者無法通過異或運算實施假冒攻擊。ARAP協(xié)議的全面分析和改進工作將在后繼的科研工作中展開。

參考文獻：

　　[1] SARMA S E, WEIS S A, ENGELS D W. RFID systems and security and privacy implications[C].//Proceedings of the 4th International Workshop on Cryptographic Hardware and Embedded Systems, New York: Springer-Verlag, 2002: 454-469

　　[2] WEIS S A, SARMA S E, RIVEST R L, et al. Security and privacy aspects of low-cost radio frequency identification systems[J]. Security in Pervasive Computing, 2004, 28(2):201-212

　　[3] OHKUBO M, SUZUKI K, KINOSHITA S, Hash-chain based forward-secure privacy protection scheme for low-cost RFID[C].//Proceedings of 2004 Symposium on Cryptography and Information Security(SCIS 2004), Berlin: Springer-Verlag, 2004:719-724

　　[4] SHEN J, CHOI D, MOH S, et al. A novel anonymous RFID authentication protocol providing strong privacy and security[C].// Proceedings of 2010 International Conference on Multimedia Information Networking and Security, Nanjing: ACM Press, 2010: 584-588

　　[5] 陸桑璐,謝磊.射頻識別技術(shù):原理、協(xié)議及系統(tǒng)設(shè)計 [M] . 北京:科學(xué)出版社,2014

　　[6] 田蕓,陳恭亮,李建華. 針對RFID身份認(rèn)證協(xié)議-ARAP協(xié)議的攻擊及改進[J]. 中國電子科學(xué)研究院學(xué)報, 2011, 6(6) : 556-560

　　[7] 李景峰,郭衛(wèi)鋒. 對ARAP認(rèn)證協(xié)議的攻擊及改進[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版), 2012, 58(6) : 526-530

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第30頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。