第4章 感知层安全技术(上)
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清华大学出版社
4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分 1. 物品（Physical thing）
物品是指物理世界中实实在在的物体，如服装、 食物、汽车、文具、书刊、家具等各种各样的物品。 在物联网中，这些物品都是可以互联的。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分 2. 电子标签（Tag）
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
5. 中间件（Middleware） 中间件是一种面向消息的、可以接受应用软件端发出的请
求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收、处理后向 应用软件返回结果数据的特殊软件。中间件在RFID应用中除了 可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景、硬件接口、适用标准 等造成的可靠性和稳定性问题，还可以为上层的应用软件提供 多层、分布式、异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。
如前所述，一套完整的RFID系统，由物品、电子标签、天 线、读写器、中间件和应用软件等部份组成。
在基于RFID技术的物联网系统中，标签与读写器之间是通 过射频信号进行通信的，而读写器与应用系统之间是通过局域 网进行通信的。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
RFID系统的工作原理是读写器发射某个特定频率的无线电 波，把能量传送给电子标签，用以驱动电子标签电路工作，将 其内部的数据送出，此时读写器便按次序接收并解读数据，然 后送给应用系统作相应的处理。
RFID标签俗称电子标签（Tag），也称为应答器 （Responder），根据工作方式，电子标签可以分为主 动式（有源）和被动式（无源）两大类。在本书中， 仅仅介绍常用的被动式电子标签。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
被动式RFID标签由标签芯片和标签天线（或线圈） 组成，利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与 读写器之间的通讯。RFID标签中存储一个唯一编码， 通常是一个64位二进制数、96位二进制数甚至位数更 多的二进制数，其地址空间大大高于条形码所能提供 的空间，因此可以实现全球唯一的物品编码。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
由于应用软件需要针对不同应用领域的用户专门编制，因 此很难具有通用性。从应用评价标准来说，使用者在应用软件 界面上的用户体验，是判断一个RFID应用系统成功与否的决定 性因素。
清华大学出版社
4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
清华大学出版社
4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
4. 读写器（Reader and Writer） 读写器也称为阅读器或询问器（Interrogator），它是对
RFID标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号 处理单元两部分。读写器是RFID系统中最重要的工作单元。
4.1 RFID安全技术 4.2 无线传感器网络安全 4.3 物联网终端安全 4.4 本章小结
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分 射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）
技术是一种非接触式自动识别技术。它通过无线射频 方式自动识别特定目标的电子标签，并读写标签中的 相关信息。 等领域。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
在全双工和半双工系统中，电子标签的响应是读写器通过 电磁波发送出去的。因为与读写器发出的电磁波信号相比，在 电子标签接收天线上的电磁波信号很微弱，所以必须使用合适 的传输方法，以便把电子标签的信号与读写器的信号区别开来。 传输方法有负载反射调制技术和时序方法两种。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
RFID技术可以识别高速运动的目标对象，例如行 驶中的汽车，并可以同时识别多个标签，能够快速地 进行物品的追踪和管理，具有可靠性高、保密性强、 成本低廉等特点。它广泛应用于仓库管理、物品追踪、 防伪、物流配送、过程控制、访问控制、门禁、自动 收费、供应链管理、图书管理等领域。
6. 应用软件（Application Software） 应用软件采用位于后台的数据库管理系统来实现其管理功
能，它提供直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面，协助 使用者完成对读写器的指令操作，以及对中间件的逻辑设置， 逐级将RFID标签上的原始数据转化为便于使用者理解的业务数 据，并使用可视化界面进行展示。
读写器发送信号时使用的频率称为RFID系统的工作频率。 按工作频率来划分，RFID系统可以分为低频系统和高频系统。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
低频RFID系统一般指其工作频率小于30MHz，典型的工作 频率为：125KHz、225KHz、13.56M等，工作在这些频率的射频 识别系统一般都适用于相应的国际标准。低频RFID系统的基本 特点是电子标签的成本较低、电子标签内保存的数据量较少、 阅读距离较短、电子标签外形多样（卡状、环状、钮扣状、笔 状）、阅读天线方向性不强等。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
在实际应用中，可进一步通过有线局域网（Wired Local Area Network）或无线局域网（Wireless Local Area Network）等 实现对标签提供的物体标识信息的采集、处理和远程传送等管 理功能。电子标签是RFID系统的信息载体，目前电子标签大多 是由耦合元件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
4. 读写器（Reader and Writer） 一方面，RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写
器的射频模块中转换为数字信号，再经过读写器的数字信号处 理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调出返回的信息， 完成对RFID标签的识别或读/写操作；另一方面，上层中间件及 应用软件与读写器进行交互，实现操作指令的执行和数据汇总 上传。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
以RFID 读写器与电子标签之间的通讯及能量感应方式来分 类，RFID大致上可以分成两类：感应耦合（Inductive Coupling） 和后向散射耦合（Backscatter Coupling）。通常，低频的RFID系 统大都采用感应耦合方式，而较高频的RFID系统大多采用后向 散射耦合方式。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
RFID射频识别系统的基本工作方式可以分为全双工（Full Duplex）、半双工（Half Duplex）系统和时序（SEQ）系统。
全双工表示电子标签与读写器之间可在同一时刻互相传送 信息；半双工表示电子标签与读写器之间也可以双向传送信息， 但收发双方必须轮流工作，在同一时刻只能向一个方向传送信 息。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
当电子标签进入磁场后，读写器发出射频信号，电子标签 凭借天线感应电流所获得的能量，发送出存储在芯片中的产品 信息（Passive Tag，被动标签），或者由电子标签主动发送某 一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），读写器读 取信息并解码后，送至中间件进行有关数据处理。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
3. 天线（Antenna） 天线在RFID系统中的重要性往往被人们所忽视，在实际应
用中，天线性能的优劣是影响RFID系统识别范围的主要因素。 高性能的天线不仅要求具有良好的阻抗匹配特性，还需要根据 应用环境的特点对方向特性、极化特性和频率特性等进行专门 设计。
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Hale Waihona Puke 4.1 RFID安全技术图4-1 RFID系统的基本组成部分
4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分 一套完整的RFID系统，通常由物品（Physical
thing）、电子标签（Tag）、天线（Antenna）、读写 器（Reader and Writer）、中间件（Middleware）和应 用软件（Application Software）等六个部份组成。各 个组成部分的主要功能如下：
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
3. 天线（Antenna） 天线是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建
立无线通讯连接的设备。RFID系统中包括两类天线，一类是 RFID标签上的天线，由于它已经和RFID标签集成为一体，因此 不再单独讨论；另一类是读写器天线，既可以内置于读写器中， 也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。目前的天 线产品大多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。
在实际应用中，对从电子标签到读写器之间的数据传输， 一般采用负载反射调制技术，将电子标签数据加载到反射回波 上。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
时序方法则与负载反射调制技术相反，读写器的发射出的 电磁波短时间周期性地断开。这些时间间隔被电子标签识别出 来，并被用于从电子标签到读写器的数据传输。实际上，这是 一种典型的雷达工作方式。时序方法的缺点是：在读写器发送 间歇时，电子标签的能量供应中断，这就必须通过配备足够大 的辅助电池的方法来提供电源。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
4. 读写器（Reader and Writer） 当上传数据时，读写器会对RFID标签原始数据进行去重过
滤或简单的条件过滤，将其加工为读写器数据后再上传，以减 少与中间件及应用软件之间数据交换的流量，因此在很多读写 器中还集成了微处理器和嵌入式系统，实现一部分中间件的功 能，如信号状态控制、奇偶位错误校验与修正等。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
当RFID标签进入读写器的作用区域，就可以根据电感耦合 原理（近场作用范围内）或电磁反向散射耦合原理（远场作用 范围内）在标签天线两端产生感应电势差，并在标签芯片通路 中形成微弱电流，如果这个电流强度超过一个阈值，就将激活 RFID标签芯片电路工作，从而对标签芯片中的存储器进行读/写 操作，微控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复 杂功能。RFID标签芯片的内部结构主要包括射频前端、模拟前 端、数字基带处理单元和E2PROM存储单元等四个部分。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
未来的读写器呈现出智能化、小型化和集成化趋势，还将 具备更加强大的前端控制功能，例如直接与工业现场的其它设 备进行交互甚至是作为控制器进行在线调度。在物联网中，读 写器将成为同时具有通信、控制和计算（Communication、 Control、 Computing）功能的C3核心设备。
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4.1.2 RFID系统的工作原理
读写器是RFID系统信息控制和处理中心。按照所采用的结 构和技术的不同，读写器可以是读出装置，也可以是读/写装 置。读写器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元 组成。读写器与电子标签之间一般采用半双工通信方式进行信 息交换，同时读写器通过耦合给无源电子标签提供能量和信号。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
中间件还可以根据一个或多个读写器的读写器事件进行过 滤、聚合和计算，抽象出对应用软件有意义的业务逻辑信息构 成业务事件，以满足来自多个客户端的检索、发布/订阅和控 制请求。
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4.1.1 RFID系统的组成部分
4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分 1. 物品（Physical thing）
物品是指物理世界中实实在在的物体，如服装、 食物、汽车、文具、书刊、家具等各种各样的物品。 在物联网中，这些物品都是可以互联的。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分 2. 电子标签（Tag）
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
5. 中间件（Middleware） 中间件是一种面向消息的、可以接受应用软件端发出的请
求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收、处理后向 应用软件返回结果数据的特殊软件。中间件在RFID应用中除了 可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景、硬件接口、适用标准 等造成的可靠性和稳定性问题，还可以为上层的应用软件提供 多层、分布式、异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。
如前所述，一套完整的RFID系统，由物品、电子标签、天 线、读写器、中间件和应用软件等部份组成。
在基于RFID技术的物联网系统中，标签与读写器之间是通 过射频信号进行通信的，而读写器与应用系统之间是通过局域 网进行通信的。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
RFID系统的工作原理是读写器发射某个特定频率的无线电 波，把能量传送给电子标签，用以驱动电子标签电路工作，将 其内部的数据送出，此时读写器便按次序接收并解读数据，然 后送给应用系统作相应的处理。
RFID标签俗称电子标签（Tag），也称为应答器 （Responder），根据工作方式，电子标签可以分为主 动式（有源）和被动式（无源）两大类。在本书中， 仅仅介绍常用的被动式电子标签。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
被动式RFID标签由标签芯片和标签天线（或线圈） 组成，利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与 读写器之间的通讯。RFID标签中存储一个唯一编码， 通常是一个64位二进制数、96位二进制数甚至位数更 多的二进制数，其地址空间大大高于条形码所能提供 的空间，因此可以实现全球唯一的物品编码。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
由于应用软件需要针对不同应用领域的用户专门编制，因 此很难具有通用性。从应用评价标准来说，使用者在应用软件 界面上的用户体验，是判断一个RFID应用系统成功与否的决定 性因素。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
4. 读写器（Reader and Writer） 读写器也称为阅读器或询问器（Interrogator），它是对
RFID标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号 处理单元两部分。读写器是RFID系统中最重要的工作单元。
4.1 RFID安全技术 4.2 无线传感器网络安全 4.3 物联网终端安全 4.4 本章小结
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分 射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）
技术是一种非接触式自动识别技术。它通过无线射频 方式自动识别特定目标的电子标签，并读写标签中的 相关信息。 等领域。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
在全双工和半双工系统中，电子标签的响应是读写器通过 电磁波发送出去的。因为与读写器发出的电磁波信号相比，在 电子标签接收天线上的电磁波信号很微弱，所以必须使用合适 的传输方法，以便把电子标签的信号与读写器的信号区别开来。 传输方法有负载反射调制技术和时序方法两种。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
RFID技术可以识别高速运动的目标对象，例如行 驶中的汽车，并可以同时识别多个标签，能够快速地 进行物品的追踪和管理，具有可靠性高、保密性强、 成本低廉等特点。它广泛应用于仓库管理、物品追踪、 防伪、物流配送、过程控制、访问控制、门禁、自动 收费、供应链管理、图书管理等领域。
6. 应用软件（Application Software） 应用软件采用位于后台的数据库管理系统来实现其管理功
能，它提供直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面，协助 使用者完成对读写器的指令操作，以及对中间件的逻辑设置， 逐级将RFID标签上的原始数据转化为便于使用者理解的业务数 据，并使用可视化界面进行展示。
读写器发送信号时使用的频率称为RFID系统的工作频率。 按工作频率来划分，RFID系统可以分为低频系统和高频系统。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
低频RFID系统一般指其工作频率小于30MHz，典型的工作 频率为：125KHz、225KHz、13.56M等，工作在这些频率的射频 识别系统一般都适用于相应的国际标准。低频RFID系统的基本 特点是电子标签的成本较低、电子标签内保存的数据量较少、 阅读距离较短、电子标签外形多样（卡状、环状、钮扣状、笔 状）、阅读天线方向性不强等。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
在实际应用中，可进一步通过有线局域网（Wired Local Area Network）或无线局域网（Wireless Local Area Network）等 实现对标签提供的物体标识信息的采集、处理和远程传送等管 理功能。电子标签是RFID系统的信息载体，目前电子标签大多 是由耦合元件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
4. 读写器（Reader and Writer） 一方面，RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写
器的射频模块中转换为数字信号，再经过读写器的数字信号处 理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调出返回的信息， 完成对RFID标签的识别或读/写操作；另一方面，上层中间件及 应用软件与读写器进行交互，实现操作指令的执行和数据汇总 上传。
清华大学出版社
4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
以RFID 读写器与电子标签之间的通讯及能量感应方式来分 类，RFID大致上可以分成两类：感应耦合（Inductive Coupling） 和后向散射耦合（Backscatter Coupling）。通常，低频的RFID系 统大都采用感应耦合方式，而较高频的RFID系统大多采用后向 散射耦合方式。
清华大学出版社
4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
RFID射频识别系统的基本工作方式可以分为全双工（Full Duplex）、半双工（Half Duplex）系统和时序（SEQ）系统。
全双工表示电子标签与读写器之间可在同一时刻互相传送 信息；半双工表示电子标签与读写器之间也可以双向传送信息， 但收发双方必须轮流工作，在同一时刻只能向一个方向传送信 息。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
当电子标签进入磁场后，读写器发出射频信号，电子标签 凭借天线感应电流所获得的能量，发送出存储在芯片中的产品 信息（Passive Tag，被动标签），或者由电子标签主动发送某 一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），读写器读 取信息并解码后，送至中间件进行有关数据处理。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
3. 天线（Antenna） 天线在RFID系统中的重要性往往被人们所忽视，在实际应
用中，天线性能的优劣是影响RFID系统识别范围的主要因素。 高性能的天线不仅要求具有良好的阻抗匹配特性，还需要根据 应用环境的特点对方向特性、极化特性和频率特性等进行专门 设计。
清华大学出版社
Hale Waihona Puke 4.1 RFID安全技术图4-1 RFID系统的基本组成部分
4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分 一套完整的RFID系统，通常由物品（Physical
thing）、电子标签（Tag）、天线（Antenna）、读写 器（Reader and Writer）、中间件（Middleware）和应 用软件（Application Software）等六个部份组成。各 个组成部分的主要功能如下：
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
3. 天线（Antenna） 天线是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建
立无线通讯连接的设备。RFID系统中包括两类天线，一类是 RFID标签上的天线，由于它已经和RFID标签集成为一体，因此 不再单独讨论；另一类是读写器天线，既可以内置于读写器中， 也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。目前的天 线产品大多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。
在实际应用中，对从电子标签到读写器之间的数据传输， 一般采用负载反射调制技术，将电子标签数据加载到反射回波 上。
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4.1.2 RFID系统的工作原理
时序方法则与负载反射调制技术相反，读写器的发射出的 电磁波短时间周期性地断开。这些时间间隔被电子标签识别出 来，并被用于从电子标签到读写器的数据传输。实际上，这是 一种典型的雷达工作方式。时序方法的缺点是：在读写器发送 间歇时，电子标签的能量供应中断，这就必须通过配备足够大 的辅助电池的方法来提供电源。
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4.1.1 RFID系统的组成部分
4. 读写器（Reader and Writer） 当上传数据时，读写器会对RFID标签原始数据进行去重过
滤或简单的条件过滤，将其加工为读写器数据后再上传，以减 少与中间件及应用软件之间数据交换的流量，因此在很多读写 器中还集成了微处理器和嵌入式系统，实现一部分中间件的功 能，如信号状态控制、奇偶位错误校验与修正等。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
当RFID标签进入读写器的作用区域，就可以根据电感耦合 原理（近场作用范围内）或电磁反向散射耦合原理（远场作用 范围内）在标签天线两端产生感应电势差，并在标签芯片通路 中形成微弱电流，如果这个电流强度超过一个阈值，就将激活 RFID标签芯片电路工作，从而对标签芯片中的存储器进行读/写 操作，微控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复 杂功能。RFID标签芯片的内部结构主要包括射频前端、模拟前 端、数字基带处理单元和E2PROM存储单元等四个部分。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
未来的读写器呈现出智能化、小型化和集成化趋势，还将 具备更加强大的前端控制功能，例如直接与工业现场的其它设 备进行交互甚至是作为控制器进行在线调度。在物联网中，读 写器将成为同时具有通信、控制和计算（Communication、 Control、 Computing）功能的C3核心设备。
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4.1 RFID安全技术
4.1.2 RFID系统的工作原理
读写器是RFID系统信息控制和处理中心。按照所采用的结 构和技术的不同，读写器可以是读出装置，也可以是读/写装 置。读写器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元 组成。读写器与电子标签之间一般采用半双工通信方式进行信 息交换，同时读写器通过耦合给无源电子标签提供能量和信号。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分
中间件还可以根据一个或多个读写器的读写器事件进行过 滤、聚合和计算，抽象出对应用软件有意义的业务逻辑信息构 成业务事件，以满足来自多个客户端的检索、发布/订阅和控 制请求。
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4.1 RFID安全技术
4.1.1 RFID系统的组成部分