基于DES算法的RFID安全系统设计

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和协议分析, RF ID 系统的安全性
应从以下方面来改进 : ( 1) 采用标签与读写器相互认证的机制 , 防止非法 的读写器获取标签信息或篡改标签数据 , 或者伪造的标 签哄骗读写器。 ( 2) 避免通信过程中使用明文传输, 由于 RFID 标签 成本低、 功耗小、 资源少的限制, 应选取合适的加密算法。 ( 3) 除了读写器与标签之间的通信, 后端数据库的 管理在 RF ID 系统的安全中也起到了重要的作用, 该部 分受到攻击会导致系统中大量标签的数据、 密钥等信息 泄漏 , 造成无法估计的损失, 所以应加强数据库管理。 88
射频识别 ( Radio Fr equency Ident if icat ion, RFID) 技术是 20 世纪 90 年代兴起的一项非接触式的自动识 别技术, 已经广泛应用于工业生产和日常生活的各个方 面, 如商品和证件的防伪、 供应链管理、 图书管理、 航空 包裹管理和门禁等 。由于缺乏可靠的信息安全机制 , RF ID 系统无法有 效地保 护射频 标签中 的数据 信息。 如果标签中的信息被窃取 , 甚至被恶意篡改, 将可能带 来无法估量的损失。另外 , 不具有可靠的信息安全机制 的射频标签, 还存在易向邻近的读写器泄漏敏感信息、 易被干扰和易被跟踪等安全隐患。如果 RFID 的安全 性不能得到充分 保证, RF ID 系统 中的个人信息、 商业 机密和工业机密 , 都有可能被不法分子盗窃和利用。目 前, RFID 的安全性已成为制约 RFID 广泛应用的重要 因素之一。 1 RFID 系统构成及协议分析 1. 1 RIFD 系统构成 RF ID 系统一般由电子标签 ( T ag ) 、 读写器 ( Read er) 和后端数据库( Database) 三部分组成, 如图 1 所示。 电子标签是物品识别的载体, 它由天线、 射频电路、 存储器以及数字电路组成。电子标签与传统的条码技 术相比最大的优点是可以对其中的数据进行反复擦写 ,
现代电子技术 2009 年第 1 期总第 288 期
通信与信息技术 !
基于 DES 算法的 RFID 安全系统设计
李彦堃, 谢
摘
憬, 毛志刚
上海 200240)
( 上海交通大学 微电子学院
要 : 作为一种非接触式的自动识别技术 , 射频识别 ( RFID) 技术在社会生活中起到越来越重要的作用 , 但是安 全隐患
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通信与信息技术 ! 对象。设计中 , 不安全信道上没有任何明文传输, 所以 窃听者无法得到有用的信息。
有许多优秀的加密算法如 ECC, RSA, AES 等 , 但是这 些算法资源开销过大 , 不适合用于低成本的 RF ID 标签 电路中。而 DES 算法设计的初衷就是为了硬件电路的 实现 , 加解密速度快 , 安全性好 , 从产生到现在仍然有着 广泛的应用。本系统采用的是一种改进的 DES 算法 , 适用于 RF ID 系统。 DES 算法的核心是一个轮函数 , 明文数据经过初 始置换后进行 16 次轮函数的操作 , 最后经过一个逆初 始置换输出结果。在每一次轮函数中所使用的密钥 K i 是初始密钥经过置换后的 , 所以每一轮的密钥都不同 ; 对于输入的 64 b 明文, 分成长度相同的两部分 L i , R i , 则输出给下一轮的 64 b 数据为 : L i+ 1 = R i R i+ 1 = L i ⊕ P ( S( E ( R i ) ⊕ K i ) ) 其中 E 表示将右半部分的 32 b 数据扩展为 48 b , 与密 钥异或后经过 8 个 S 盒 , 每个 S 盒接收 6 b 的输入 , 产生 4 b 的输出。 然后经过一个置换矩阵 P, 与左半部分再次 异或后作为下一轮函数的右半部分数据 。 由于 S 盒在整个算法中占据了很大的面积和功耗 , 所以本文针对原有算法对 S 盒进行改进 , 采用单个 S 盒 来代替原来的 8 个, 将经过扩展的 48 b 数分成 8 块 , 通 过一个多路选择器依次通过 S 盒, 再将产生的结果合成 为一个 32 b 数输入置换矩阵 P ( 如图 5) 。 这样就大大减 少了电路的规模 , 同时由于尺寸的减小整个电路的功耗 也会降低 , 更适合用于 RF ID 标签。 3 系统性能 3. 1 安全性分析 4
的存在制约了 RF ID 的广泛应用 。 分析了现有的 RF ID 安全机制 , 在 EP Cglobal U H F 协议规定的基础上 , 提出了针对标签和 阅读器之间安全通讯的模型 , 并且对原有 的 DES 加密算法进行改进 , 降低了 标签电路的尺寸 , 同时也提高 了 RF ID 读 写系统 的安全性 。 关键词 : RF ID; DES; EPC; 安全性 中图分类号 : T P309 文献标识码 : B 文章编号 : 1004- 373X ( 2009) 01- 087- 03
现代电子技术 2009 年第 1 期总第 288 期 ( 3) 标签将接收到的随机数与自身 ID( T i) 进行加 密计算, 并将密文 Encrypt ( RN, T i) 传输给读写器; ( 4) 读写器将该密文用 RN 解密, 得到 T i , 并回 传给后端数据库 ; ( 5) 后端数据库快速查找是否存在 该标签的 ID, 如果存在 则证 明该 标 签为 合 法标 签, 返 回确 认 信息 ( ACK) ; ( 6) 读写器确认该标签为合法标签后开始对标签 进行访问或读写 , 整个认证过程完成。 2. 2 DES 算法对系统安全性的加强 在以上认证过程中 , Encrypt 为加密函 数, 目前已
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图 3 RF ID 系统的数据格式
标签与读写器之间的相互认证过程如图 4 所示。
图4
读写器与标签的相互认证
首先标签对读写器进行认证 , 过程如下 : ( 1) 读写器发送请求; ( 2) 标签接收到请求信号后发送一个随机数, 并且 利用存储器中的合法读写器 ID( Ri) 与该随机数进行加 密计算得到 Encrypt ( RN, Ri) ; ( 3) 读写器接收到随机数后与自身 ID 进行与标签 中相同的加密计算得到 Encrypt ( RN, Ri) , 并且 发送 给标签。标签接收到该数据后与步骤 ( 2) 中得出的 En cry pt ( RN, Ri) 比较, 如果相同则该读写器为合法的, 标 签进入下一个操作 , 否则返回初始状态。 读写器对标签的认证过程如下: ( 1) 读写器认证通过后 , 标签向读写器发送请求 ; ( 2) 读写器接收到请求信号后返回一个随机数 RN 给标签;
读写器跟踪标签 。同时在标签中加入了密文信息, 通 过数字签名技术保护标签中的秘密信息不被非法读取。 后端数据库和标签包含的数据信息如图 3 所示[ 9] 。
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上电后标签处于就绪状态 , 接收到读写器发出的请 求时通过防碰撞算法选择惟一的标签进行访问, 并进入 仲裁状态 ; 此时如果读写器再次发起有效的命令请求 , 标签将会返回一个随机数 ( RN) , 同时进入应答状态 ; 读 写器将会发送包含有 RN * 的命令, 标签比较接收到的 RN * 与自身的 RN, 如果相等则反向散射其存储的 PC 、 EPC 等信息 , 进入仲裁状态。读写器可以继续向标签 发送请求使之进入开放状态 , 通过 Read, Writ e 等命令 对标签进行读写 , 如果读写器持有者拥有访问密码还可 以使标签进入保护状态, 或者通过杀死命令使标签进入 永久失效的状态。 在 EPC 协议中存在着若干安全问题 , 从标签中读 取的信息是以明文方式传送, 会轻易向周围的攻击者泄 漏标签中保存的信息 [ 4] 。读写器在对标签进行写操作 时会使用一个句柄 RN 与待写入的数据异或后传送 , 这 样避免了明文传输, 但是攻击者可以很容易截获作为命 令句柄的 RN, 从而分析出要写入标签的信息, 甚至冒 充合法读写器对标签的数据任意篡改。 2 RFID 安全方案 根据系统结构
Abstract: Radio F requency Identification( RFID) , as a non- contact auto - ident ifying techno log y, has beco me incr easingly crucial in o ur daily life. But there ar e some pot entia l pr oblems in securit y and priv acy because o f the w ir eless communication betw een r eader s and tags. T his paper illust rates a new secur e communicat ion mo del based o n the exist ing R FID securit y system, w hich meets the EP Cglobal Class1 G en2 pr otoco l. An improv ed DES encr ypt alg or ithm is also applied in this system to enhance the secur ity. Keywords: RFI D; DES; EP C; secur ity
收稿日期 : 2008- 07- 15
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从而可以实现重复利用。读写器是一个带有天线的无 线发射与接收设备 , 用于读取标签中携带的信息并且对 标签写入数据。后端数据库中保存了标签与读写器的 所有信息, 通过与读写器的相互通信实现对整个 RFID 系统运作的管理。
图1
RFID 系统组成
标签与读写器之间的工作频率分为低频、 中高频、 超高频等 , 现有的电子标签大多工作在 13 56 M H z, 而 工作在超高频 ( UH F ) 915 M H z 的标签传输距离更长。 依据其能量来源, 标签可以分为有源和无源两类, 前者 内置电池 ; 后者的能量则是来自于读写器, 其工作原理 是当标签进入读写器的磁场后由天线获得感应电流转 换为芯片的电源, 从而完成信息的发送接收和数据的处 理。因此 915 M H z 无源电子标签成本低廉, 使用寿命 长, 传输距离远 , 具有更好的应用前景 1. 2 EPCg lobal 协议安全性分析