低成本RFID系统的识别与安全关键技术研究

发布时间：2019-07-27 08:32

【摘要】：无线射频识别(Radio-frequency Identification,简称RFID)采用非接触的方式实现对物品的自动识别,已经广泛应用于身份识别、支付系统、商业供应链和超市、防伪、物品完整性检验和门禁系统等领域。RFID技术的应用给我们生活带来了许多便利,在这些应用中有几个急需要解决的关键问题。第一,多标签的识别问题。当一个阅读器对多个标签进行识别时,这些标签会同时响应阅读器的查询,由于标签的响应信号共用一个无线信道,因而多个标签的响应信号将发生碰撞。发生碰撞后,阅读器需要重新查询和识别标签,降低识别效率,因此在RFID系统中需要采用某种有效的方法来避免这些碰撞。第二,RFID系统的安全与隐私问题。由于RFID系统采用无线识别技术,无线传输是以一种广播的方式传播消息,广播的消息很容易被攻击者利用,这需要采用某些加密技术来保护RFID系统在使用过程中的安全与隐私。另一方面,低成本标签只有有限的计算能力,不能完成复杂加密技术的操作。因此,在设计RFID系统的安全协议时要均衡安全性和标签成本之间的关系。在RFID系统中,阅读器识别多个标签的效率与解决多标签碰撞的方法紧密相关。目前一个合理的解决方法是采用四叉树防碰撞算法来减少碰撞时隙,但其不足是增加了空闲时隙。为克服四叉树防碰撞算法空闲时隙多的缺点,提出了一个自适应四叉剪枝查询树防碰撞算法。根据碰撞位信息,采用剪枝的方式消去四叉树所带来的空闲时隙。理论和仿真分析表明,该算法能显著减少识别时间,提高RFID系统的吞吐率。针对RFID系统存在的安全和隐私问题,提出了一个RFID系统的轨迹隐私模型。该模型首先形式化攻击者模型,根据攻击者的能力,定义了攻击者不可分辨性隐私游戏和区间安全性隐私游戏。根据攻击者和挑战者的隐私游戏,给出了弱轨迹隐私和强隐私轨迹定义,最后用RFID系统的轨迹隐私模型分析了现有的RFID系统的隐私认证模型的隐私保护程度,分析结果表明该模型能有效地分析和发现RFID安全协议中存在的隐私漏洞。低成本标签应用范围非常广,但其只有非常有限的存储空间和计算能力,为了均衡RFID系统的安全性和可用性,提出一个轻量级强轨迹隐私保护的RFID认证协议。在该协议中,标签只采用伪随机数发生器运算和异或运算,在认证过程中,标签一直使用假名,防止了标签敏感信息的泄露,并且标签的假名和秘密数在认证过程中一直与后台服务器保持同步,分析表明,该协议能有效地解决了去同步攻击、中间人攻击、前向安全、重放攻击和克隆等安全问题,同时也满足了低成本标签的要求。用RFID系统的轨迹隐私模型也证明了该协议具有强轨迹隐私性和安全性,与现有的相关研究进行比较,该协议在标签的存储开销、计算代价和通信开销以及后台服务器的搜索效率上都具有较好的性能。群证明协议有着广泛的应用,但在有大量标签的群证明的生成过程中,标签信息响应将发生碰撞,影响群证明生成的效率,为了解决这一问题,提出了一种可扩展轻量级RFID群证明协议。该协议中标签只采用伪随机数发生器运算和异或运算,用自适应四叉剪枝查询树防碰撞算法识别标签的响应消息。标签的秘密信息的更新在群证明生成过程中一直与验证者保持同步,因此该协议不仅解决了低成本标签可扩展性问题,也提高了群证明生成的效率和安全性。该协议与现有的群证明协议进行比较,在该协议中,标签只需较小的计算复杂度,达到了安全性与可用性的有效均衡。
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那么该算法则为最优分裂法。假设有5个标签，分别是0100,1001,0010,1011和0110，分别采用二叉树和四叉树分裂过程如图2.2所示。从图2.2可以看到，，采用基于树的防碰撞算法是用一颗树表示一个数据喊，一个数据倾由许多时隙组成，识别一定数量的标签，所需总时隙越多，识别效率越低。在图2.2(a)中，懫用二叉树分裂方法，识别5个标签，所需碰撞时隙为5，空闲时隙为1，总时隙为11，在图2.2(b)中

低成本RFID系统的识别与安全关键技术研究

断结果为XI，这样可以剪去00和10两个分支。按照四叉剪枝树的方式分裂过程如图2.3所示，其中C表示碰撞，R表示可读，I表示空闲。表2.4 A4PQT算法识别标签过程Round 123456789R—T S 00 01 10 II 0100 0110 1001 1011T-^R CRCCI RRRRTag 1 0100 0100 0100Tag 2 1001 1001 1001Tag 3 0010 0010Tag 4 1011 1011 1011Tag 5 0110 0110 01100_隙资）O可读时隙d6 GO。_图2.3采用四叉剪枝树的分裂过程从图2.3可以看到，采用剪枝后，在识别5个标签时，需要产生的额外时隙为4，其中碰撞时隙为3，空隙时隙为1。而图2.2(a)的二叉树分裂方式总的额外时隙为6
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP391.44

【参考文献】