EPCglobal Class 1 Gen 2 标准的RFID高效双向认证协议

2 背景与相关工作 2.1 EPCglobal Class 1 Gen 2 特征
EPCglobal Class 1 Gen 2（C1G2）是 EPCglobal 已发布的 最新 RFID 标准，其主要的特征和计算能力描述如下：
（1）C1G2 RFID 标签自身没有能量，属于利用阅读器射频 获取能量工作的被动标签，工作在 UHF 频段（800~960 MHz）， 有效距离 2~10 m。
（4）其他运算能力包括：移位运算、异或运算。
2.2 相关工作
2005 年，Ari Juels 在文献[6]中对于 C1G2 面临的标签克隆 问题进行了讨论，但该方案没有涉及 RFID 的隐私安全保护问 题；2006 年，Dang Nguyen Duc 在文献[7]中对 C1G2 提出改进 方案，但该方案无法抵御 DoS 攻击、重放攻击，同时无法阻止位 置隐私的泄露；2008 年，Li Fang 在文献[8]中对 Duc 的方案进行 了改进。Duc 和 Li 的协议在设计上都是在线的双向认证，两个 方案都是基于同样的假设：后台认证数据库有无限计算能力。
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2011，47（10）
Computer Engineeringห้องสมุดไป่ตู้and Applications 计算机工程与应用
EPCglobal Class 1 Gen 2 标准的 RFID 高效双向认证协议
聂鹏 NIE Peng
江西财经大学 现代教育技术中心，南昌 330013 Center of Modern Education Technology，Jiangxi University of Finance and Economics，Nanchang 330013，China
符号 X（LSB32，i） X（LSB16，i）
A||B A������B （f ·）
X' M2 Li CRC（·） Ki Knewi
含义 Ti所含信息 X 的最低 32 位信息 Ti所含信息 X 的最低 16 位信息 连接 A 和 B A 异或 B 伪随机函数 X 对应的临时变量 认证数据库传递给标签的消息 Ti的定位因子 CRC 校验函数 Ti的秘密值 Ti更新后的新秘密值
摘 要：通过对 EPCglobal Class 1 Gen 2 标准下典型 RFID 双向认证协议进行分析和比较，针对大规模标签环境下协议效率低 下的问题，提出一种改进方案，能够有效抵御消息泄漏、重放、伪装、定位跟踪、DoS 等常见攻击，并提高了协议执行效率。 关键词：无线射频识别；认证；安全；隐私 DOI：10.3778/j.issn.1002-8331.2011.10.026 文章编号：1002-8331（2011）10-0092-03 文献标识码：A 中图分类号：TP309
步骤 4：M1，Rtb，Rr，Li
步骤 1：Query，Rr 步骤 3：M1，Rtb，Li
步骤 6： 若 flag=1 则数据库更新 K1i，K2i，L1i，L2i
K2i=K1i，K1i=（f K1）i L2i=L1i，L1i=EPC（LSB32，i）������K1i 若 flag 不为 0 则执行 M2=（CRC（EPCi||R't||Rr）||R'）t ������K1i
当标签认证成功 flag≠0 时，将消息 M2=（CRC（EPCi||R't||Rr）|| R'）t ⊕K1i发送给 R。
（5）R→T：R 接收消息 M2，并向 Ti转发 M2。 （6）T：Ti 计算 Knewi=（f K）i ，并根据（Knewi，EPCi，Rt，Rr）独立计 算新的 M'2=（CRC（EPCi||Rt||Rr）||R）t ⊕Knewi，如果 M'2与 M2匹配， 则 Ti 完成认证，将自身 Ki 更新为 Knewi，并开放数据区进行后继 操作。
步骤 7：M2
步骤 8：M2
图 1 认证协议流程图
标签 i
标签初始化信息：Ki，EPCi
步骤 2：生成随机数 Rt 计算 M1=（CRC（EPCi|（| Rt������Rr））||Rr）������Ki 计算 Li=EPC（LSB32，i）������Ki 计算 Rtb=Rt������EPC（LSB16，i）
步骤 9：计算 Knewi=（f K）t 计算 M'2=（CRC（EPCi||Rt||Rr）||Rr）������Knewi 如果 M'2==M2则 Ki更新为 Knewi
3.2 协议工作过程
首先对标签进行初始化，为每个 Ti生成 32 位密钥 Ki和 Ti唯 一对应的 EPCi，并对 EPCi进行锁定。后台数据库注册 Ti，保存 其 对 应 的 EPCi，并 更 新 Ti 相 关 数 据 ：K1i=K2i=Ki，L1i=L2i= EPC（LSB32，i）⊕Ki。
完整认证过程如下： （1）R→T：R 产生随机数 Rr，并向 Ti发送消息（Query，Rr）。 （2）T→R：Ti 收到消息（Query，Rr）后，产生随机数 Rt，并分 别计算：M1=（CRC（EPCi|（| Rt⊕Rr））||Rr）⊕Ki，Li=EPC（LSB32，i）⊕Ki， Rtb=Rt⊕EPC（LSB16，i）；然后向阅读器发送消息（M1，Rtb，L）i 。 （3）R→DB：R 收到消息（M1，Rtb，L）i 后产生新的消息（M1， Rtb，Rr，L）i ，并将新消息发送给后台数据库。 （4）DB→R：后台数据库接收消息（M1，Rtb，Rr，L）i 后，在已 注册标签集合中选择与 Li匹配的 L1i或 L2i记录，形成新的标签集 合RS。针对RS中的每一条记录计算R't，其中R't=Rtb⊕EPC 。 （LSB16，i） 根据 R't 计算新的 M'1=（CRC（EPCi|（| R't⊕Rr））||Rr）⊕K1i，如果 M'1 和接收到的消息 M1 匹配则对标签认证成功，同时将认证 标 记 flag 变 更 为 1；如 果 M'1 与 M1 不 匹 配 ，则 尝 试 计 算 M'1= （CRC（EPCi|（| R't⊕Rr））||Rr）⊕K2i，如果 M'1与 M1匹配则对标签 认证成功，同时将认证标记 flag 变更为 2；如果 M'1与 M1仍不匹 配，则标签为非法，认证协议终止。 当标签认证成功且 flag=1 时，后台更新 Ti对应记录相关信 息，包括：K1i，K2i，L1i，L2i。更新规则为：K2i=K1i，K1i=（f K1）i ， L2i=L1i，L1i=EPC（LSB32，i）⊕K1i。
（2）C1G2 RFID 标签具备 16 位伪随机发生器（RNG16）并 提供 16 位循环冗余校验[5（] CRC16）。
（3）C1G2 RFID 标 签 可 存 储 两 个 32 位 口 令 ：APWD 和 KPWD，分别为访问口令和灭活口令。APWD 可以使 C1G2 标 签进入保护模式对标签进行读写操作；KPWD 可以使 C1G2 标 签永久性失能，不再响应外界指令。
C1G2 标签是一种典型的低成本标签，其实际应用范围很 广，仅就公路口岸物流而言，1 年使用的标签规模就在百万枚 以上。在后台标签规模较大的情况下，在线数据库处理认证 消息的能力也有限，因此 Duc 和 Li 的假设在这种应用背景下 不成立。针对这一问题，本文提出一种安全、高效的双向认证 协议，对其安全特性进行分析，并通过实验验证新协议具有良 好的执行效率。
聂 鹏：EPCglobal Class 1 Gen 2 标准的 RFID 高效双向认证协议
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符号 DB R Ti Rr Rt Rtb M1 L1i，L2i EPCi K1i，K2i flag
表 1 协议符号表
含义 RFID 数据后台 读写器 标签 i R 产生的随机数 Ti产生的随机数 盲化后的 Rt 标签传递给认证数据库的消息 Ti在 DB 中的第 1、2 号定位因子 Ti的 EPC 编码 Ti在 DB 中的第 1、2 号共享秘密值 标签同步状态标记
3 改进的方案 3.1 符号与协议描述
鉴 于 以 上 分 析 ，本 文 提 出 一 种 改 进 的 高 效 双 向 认 证 协 议。协议中使用符号见表 1，具体协议如图 1 所示。
作者简介：聂鹏（1977—），男，博士研究生，讲师，研究领域：信息安全。E-mail：zeanet@ 收稿日期：2009-10-30；修回日期：2009-12-25
无线射频识别（RFID）技术即非接触无线射频识别技术， 是一种开放通信环境中的目标自动识别技术。该技术被广泛 地应用于物流管理、交通运输、工业生产、商品防伪、资产管理 以及国防军事等领域。同时，由于大规模应用场景中的 RFID 标签受成本约束，一般只具备有限的计算能力和存储空间，使 得工作于开放空间的 RFID 系统面临安全隐私保护的强力挑战。
（2）可抵抗标签克隆：在协议过程中 EPCi始终被随机密码 Ki盲化传输，敌手在协议攻击过程中无法获取 Ki，EPCi不会被 敌手获取，因此可阻止 Ti被克隆。
NIE Peng.Efficient mutual authentication protocol on EPCglobal Class 1 Gen 2 puter Engineering and Applications，2011，47（10）：92-94.
Abstract：By analyzing classical protocols in accordance with EPC C1G2 standard，this paper affords an improved schema which can increase the efficiency in the large scale of tag population application and ensure the RFID system against the attacks of eavesdropping，replaying，spoofing，location-tracking and DoS et al. Key words：Radio Frequency Identification（RFID）；authentication；security；privacy