面向RFID系统防碰撞算法及安全机制研究

发布时间：2017-05-18 17:00

  本文关键词：面向RFID系统防碰撞算法及安全机制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：物联网作为当今信息产业发展的第三次革命浪潮,是全球信息产业革命新一轮竞争的制高点,从而以物联网为核心的各项信息技术革命成为了世界各国在信息领域的国家战略,得到了迅猛发展。无线射频识别(RFID)是物联网架构下最为关键的自动识别技术,其可以感知物件信息并为顶层应用提供及时快速的信息源,作为物联网感知层神经末梢将物联网延伸到万事万物。由于RFID技术具有可读写、远距离识别及批量读取等诸多优点,目前该技术己逐渐取代条形码广泛应用于交通、物流、生产制造及航空等自动识别领域。然而,随着RFID技术的广泛使用,标签的造价势必越来越低以适应市场需求,低廉的造价致使标签具有存储空间低及计算能力弱的不足。同时,对RFID系统识别效率及无线信道安全与隐私的防护能力提出了更高的要求。因此,如何在存储空间低及计算能力较弱的被动标签基础上,提出高识别效率的防碰撞算法及强安全性的安全机制,是目前RFID领域亟需解决的关键问题,对于推进RFID系统进一步大规模推广具有极其重要的意义。本文分别围绕一般应用环境及特定应用环境下的RFID防碰撞算法,以及具有后台服务器下的超轻量级安全认证协议和移动场景下的安全搜索协议开展了深入研究,主要研究内容包括以下几个方面：(1)基于位图构建的RFID自适应N树防碰撞算法研究。针对一般应用环境下批量标签通过共享信道多路访问而导致的碰撞问题,提出两种基于位图构建的RFID自适应N树防碰撞算法,即单帧自适应位图构建N树防碰撞算法(SFBTNA)及多帧自适应位图构建N树防碰撞算法(MFBTNA)。首先,利用极大似然位跟踪标签数估算法(MLBE)估算标签数量。其次,在MLBE基础上提出了探针法构建位图的方法,SFBTNA算法根据位图在单个识别帧内自适应调整最优N值并构建N树,而MFBTNA算法则逐帧调整最优N值并构建多个N树。最后,两种算法均采用跟踪树算法(CT)对N树下的碰撞子树进行识别,位图构建与CT算法的结合使用消除了空闲时隙,并极大地降低了碰撞时隙的影响。因此,有效提高了RFID系统的识别效率。文中分别推导了SFBTNA算法及MFBTNA算法的最优帧长取值区间,使得系统获得了较高的识别效率；(2)特定应用环境下自适应型分组N叉树RFID防碰撞算法研究。针对读写器重复识别滞留标签的特定应用环境,提出了自适应分组N叉树防碰撞算法(ACBGN)。首先,利用阻塞机制对滞留标签和新到标签进行划分,并分阶段识别滞留标签和新到标签,以避免两类标签之间的碰撞。其次,分别根据滞留标签和新到标签的识别特点提出了对应的识别算法,旨在分别提高对两类标签的识别效率。对新到标签的识别采用分组和多叉识别两种策略相结合的方法,降低了标签之间的碰撞概率,文中对不同分叉数时的最优分组系数进行了推导,获得了最优分组系数及分叉数的组合,有效提高了系统对新到标签的识别效率。同时,提出了多Hash映射多帧耦合型签到算法识别滞留标签,其采用单标签签到识别及两个标签耦合识别的策略减少对滞留标签的识别耗时,并结合位图设置Hash优先级以压缩映射位图,文中推导了最优Hash映射次数及帧长设置,充分利用了滞留标签的ID信息,从而有效降低了系统对滞留标签的识别耗时。因此,在对新到标签和滞留标签识别效率分别提高的基础上,ACBGN算法的识别效率得到了较大提高；(3)超轻量级安全协议的设计与分析。在具有后台服务器情况下,通过对现有超轻量级安全协议设计中常见的漏洞进行分析,提出了两个超轻量级安全协议,即抗去同步化超轻量级安全认证协议(URP)和超轻量级安全切换协议(UTFP)。URP协议通过在交互消息中加入新鲜分散因子,并采用新旧动态ID更新的方式抵抗去同步攻击及重放攻击。同时,结合加密因子MixBit和Per的加密特性以达到更好的混淆与扩散效果,使得URP协议可以抵抗泄漏攻击。最后,其仅利用对计算性能要求较低的位运算来实现读写器与标签之间的无线链路安全防护,对标签的存储能力和计算能力要求较低。文中利用基于攻击检测的非形式化分析方法对提出的URP协议进行了安全性证明,保证了URP协议满足完整性及保密性,并可以有效抵抗无线信道中的常见攻击方式。UTFP协议在URP协议基础上,利用被动标签可生成伪随机数的特性对失去同步性的URP协议进行再同步。与此同时,在协议遭受主动攻击时,UTFP协议自动启动再同步机制更新动态密钥与动态ID,从而使得协议获得更高的安全性及隐私性防护。(4)可证明安全的无服务器型安全搜索协议研究。针对无后台服务器情况下的移动读写应用场景,提出了一个轻量级无服务器型安全搜索协议(PLSP)。首先,通过严格时间戳的方式对移动读写器时间权限进行管理,提升了移动读写器安全性。其次,根据实际应用环境下的标签数,利用Hash碰撞的思想实现了可调节的隐私强度和搜索效率。最后,利用松散时间戳抵抗重放攻击,其具有适应低价标签计算性能的特性。与此同时,在UC框架下证明了提出的安全搜索协议满足并发安全性,并在标准安全模型下证明了协议可有效抵抗重放、去同步、跟踪及匿名性等攻击方式。
【关键词】：无线射频识别 防碰撞算法 位图构建 安全认证协议 安全搜索协议
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.44;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-36
• 1.1 研究背景及意义12-14
• 1.2 RFID系统结构14-16
• 1.3 RFID技术标准16-17
• 1.4 RFID防碰撞算法研究现状17-24
• 1.4.1 ALOHA类防碰撞算法18-21
• 1.4.2 树形防碰撞算法21-22
• 1.4.3 混合型防碰撞算法22-24
• 1.5 RFID安全机制研究现状24-33
• 1.5.1 RFID系统面临的安全威胁24-27
• 1.5.2 物理安全防护机制27-28
• 1.5.3 安全协议类安全防护机制28-33
• 1.6 论文研究内容及结构安排33-36
• 第二章 基于位图构建的RFID自适应N树防碰撞算法研究36-56
• 2.1 引言36
• 2.2 相关工作36-38
• 2.2.1 RFID系统传输模型36-37
• 2.2.2 CT算法37-38
• 2.3 单帧及多帧位图自适应N树防碰撞算法设计38-44
• 2.3.1 极大似然位跟踪标签数估算法38-39
• 2.3.2 单帧及多帧位图自适应N树防碰撞算法39-43
• 2.3.3 算法执行流程示例43-44
• 2.4 算法性能理论分析44-51
• 2.4.1 极大似然标签数估算法Q值推导44-46
• 2.4.2 单帧及多帧位图自适应N树防碰撞算法性能理论分析46-51
• 2.5 仿真实验及分析51-54
• 2.5.1 估算误差对识别效率的影响51
• 2.5.2 算法性能仿真分析51-54
• 2.6 计算复杂性及应用讨论54-55
• 2.7 本章小结55-56
• 第三章 特定应用环境下自适应型分组N叉树RFID防碰撞算法研究56-85
• 3.1 引言56-57
• 3.2 相关工作57-60
• 3.3 ACBGN算法设计60-70
• 3.3.1 新到标签识别算法设计61-66
• 3.3.2 滞留标签识别算法设计66-70
• 3.4 ACBGN算法性能理论分析70-78
• 3.4.1 新到标签识别算法理论分析70-73
• 3.4.2 滞留标签识别算法理论分析73-78
• 3.5 实验及分析78-84
• 3.5.1 估算误差对新到标签识别效率的影响78-79
• 3.5.2 CBGN算法性能仿真实验及分析79-81
• 3.5.3 ACBGN算法性能仿真实验及分析81-84
• 3.6 本章小结84-85
• 第四章 超轻量级安全协议的设计与分析85-104
• 4.1 引言85-86
• 4.2 相关工作86
• 4.3 超轻量级安全协议分析86-91
• 4.3.1 SASI协议安全性分析87-89
• 4.3.2 RAPP协议安全性分析89-91
• 4.4 URP协议设计及安全性分析91-95
• 4.4.1 URP协议设计91-93
• 4.4.2 URP协议安全性分析93-95
• 4.5 UTFP协议设计及安全性分析95-101
• 4.5.1 UTFP协议设计95-99
• 4.5.2 UTFP协议安全性分析99-101
• 4.6 URP协议及UTFP协议的性能分析101-103
• 4.7 本章小结103-104
• 第五章 可证明安全的无服务器型安全搜索协议研究104-118
• 5.1 引言104
• 5.2 相关工作104-105
• 5.3 可证明安全的无服务器型安全搜索协议设计105-113
• 5.3.1 设计搜索协议需满足的安全属性105
• 5.3.2 可证明安全105-107
• 5.3.3 PLSP协议设计107-113
• 5.4 协议安全性分析113-117
• 5.4.1 UC框架下证明并发安全性113-115
• 5.4.2 标准安全模型下证明安全性115-117
• 5.5 协议性能分析117
• 5.6 本章小结117-118
• 第六章 总结与展望118-121
• 6.1 论文的主要工作及创新点118-119
• 6.2 今后的研究展望119-121
• 参考文献121-130
• 致谢130-131
• 攻读博士学位期间取得的研究成果131-132

  本文关键词：面向RFID系统防碰撞算法及安全机制研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：376592