Key值更新隨機Hash鎖對RFID安全隱私的加強

　　RFID是20世紀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簽數(shù)據(jù)，獲取重要的商業(yè)信息;

　　(2)位置跟蹤。通過RFID標簽掃描，依據(jù)標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簽數(shù)據(jù);

　　(5)偽裝哄騙。通過偽裝成合法標簽，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標簽的低成本實現(xiàn)。

　　由于標準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，即使外人獲得了標簽內(nèi)部的秘密數(shù)據(jù)，也應(yīng)保證其無法追蹤到跟標簽有關(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鎖方法控制標簽的讀取訪問，其工作機制如下：

　　鎖定標簽：對于唯一標志號為ID的標簽，首先閱讀器隨機產(chǎn)生該標簽的Key，計算metaID=Hash(Key)，將metaID發(fā)送給標簽;標簽將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。

　　解鎖標簽：閱讀器詢問標簽時，標簽回答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)送給標簽;標簽收到Key值后，計算Hash(Key)值，并與自身存儲的metaID值比較，若Hash(Key)=metaID，標簽將其ID發(fā)送給閱讀器，這時標簽進入已解鎖狀態(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)的閱讀器讀取標簽信息數(shù)據(jù)，在一定程度上為標簽提供隱私保護;該方法只需在標簽上實現(xiàn)一個Hash函數(shù)的計算，以及增加存儲metaID值，因此在低成本的標簽上容易實現(xiàn)。

　　方法的缺陷：由于每次詢問時標簽回答的數(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)庫存儲各個標簽的ID值，設(shè)為IDl、ID2⋯IDk⋯ID 。

　　鎖定標簽：通過向未鎖定的標簽發(fā)送簡單的鎖定指令，即可鎖定該標簽。

　　解鎖標簽：閱讀器向標簽ID發(fā)出詢問，標簽產(chǎn)生一隨機數(shù)R，計算Hash(IDIIR)，并將(R，Hash(IDIIR))數(shù)據(jù)對傳送給閱讀器;閱讀器收到數(shù)據(jù)對后，從后臺數(shù)據(jù)庫中取到所有的標簽ID值，分別計算各個Hash(IDIIR)值，并與收到的Hash(IDIIR)比較，若Hash(IDk『JR)=Hash(ID『JR)，則向標簽發(fā)送IDk;若標簽接收到的IDk=ID，此時標簽即被解鎖，如圖3所示。

　　在該方法中，標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簽ID，并為每一個標簽計算Hash(IDkIIR)，因此標簽數(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，若敵人獲得了標簽ID值，則可根據(jù)R值計算出Hash(IDIIR)值，因此可追蹤到標簽歷史位置信息。

　　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：鎖定標簽：對于標簽ID，閱讀器隨機選取一個數(shù)Sl發(fā)送給標簽，并將(ID，S )存儲到后臺數(shù)據(jù)庫中，標簽存儲接收

　　到Sl后，進入鎖定狀態(tài)。

　　解鎖標簽：在第i次事務(wù)交換中，閱讀器向標簽發(fā)出詢問消息，標簽回答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，當外人觀察標簽輸出時，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，所以無法獲得標簽歷史活動信息。

　　方法缺點：需要為每一個標簽計算ai*：G(H (s1))，假設(shè)數(shù)據(jù)庫中存儲的標簽個數(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為標簽唯一標志號，Key是閱讀器為每個標簽選取的隨機關(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)鎖定標簽

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

　　(2)解鎖標簽

　　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)送給標簽;

　　2)標簽根據(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，表明標簽是非法標簽，在此閱讀器完成對標簽的合法性驗證;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)在標簽接收到H(IDkIIR)后，比較其與標簽在第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，標簽保持沉默，在此標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。

　　設(shè)閱讀器要詢問ID為1的標簽，首先閱讀器向標簽發(fā)送詢問消息和隨機數(shù)3，標簽向閱讀器回答數(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簽的ID為1，然后閱讀器將H(1113)發(fā)送給標簽; 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。

　　下一次再與標簽1通信時，數(shù)據(jù)庫根據(jù)標簽的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。

　　當標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)并未成功地被標簽接收到，則標簽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)，降低了標簽的復(fù)雜性，標簽只需要實現(xiàn)兩個Hash函數(shù)H和s，這在低成本的標簽上較易實現(xiàn)。

　　(2)前向安全。因為標簽的Key值在每次事務(wù)交換后被單向Hash函數(shù)s更新，外人即使獲取了當前標簽Key*值，也無法推算出之前的Key值，所以無法獲得標簽相關(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)標簽數(shù)目較多的情況。隨著標簽數(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)了對標簽的驗證;通過Hash(IDIIR)的計算比較，標簽實現(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簽的數(shù)據(jù)信息;

　　2)防位置跟蹤：由于隨機數(shù)R和標簽的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簽部分計算時延，這些尚需進一步研究改進。