基于反比例函數的RFID組證明協議

齊 寧 明顯誠

(吉林電子信息職業技術學院 吉林 吉林 132000) 2(重慶理工大學工程訓練與經管實驗中心 重慶 400054)

0 引 言

進入21世紀之后,隨著科技的快速發展,射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術得到了廣泛的運用[1]。一個經典的射頻識別系統至少有電子標簽、讀寫器、服務器三者,在該系統中,一般情況下,讀寫器固定不變動,電子標簽處于不斷變動位置狀態,服務器也處于固定狀態[2-3]。

在射頻識別系統中,電子標簽與讀寫器之間會話采用無線方式實現,存在易被攻擊者竊聽的風險,一般認定為不安全;讀寫器與服務器之間一般采用光纖或同軸電纜等有線方式實現會話,一般認定為安全可靠[4-5]。要在不安全的鏈路上交換信息,同時還需要確保用戶隱私信息的安全性,就必須設計協議來解決上述問題。

隨著人們需求的增加,在涉及到用電子標簽標記某個商品的時候,很多時候單個標簽無法滿足標記某個商品的情況發生,比如:在醫療領域中,某種藥品在進行標記時,其中需要一個標簽用于標記藥品基本信息,比如:藥品名稱、藥品生產日期等;同時還需要一個標簽用于標記該藥品的使用方法,即用于標記該藥品的說明書[6-8]。在遇到上述情況時,需要同時證明兩個標簽的同時存在,但現有的大多數協議無法滿足上述情況。本文設計一種協議適用于上述可證明多標簽同時存在情況。

本文給出基于反比例函數加密算法的具體構造和實現方法,加密過程中巧妙用到加密參數自身漢明重量參數,即可減少參數引入、降低存儲空間的同時,增加攻擊者破解難度,提高協議安全性。數據庫一端通過存儲前后兩輪認證密鑰,來抵抗攻擊者發起的異步攻擊。對設計的協議進行多角度分析,協議可一次實現多標簽同時存在的證明,能夠抵抗重放、異步、追蹤等常見類型的攻擊,同時計算量可適用于現有低成本計算量的系統中。

1 相關工作

文獻[9]里提出一個組證明協議,具體是用2個標簽分別來標記藥品和說明書。因協議提出較早,協議設計過程中未考慮更多安全隱私,導致協議無法抵抗定位攻擊、重放攻擊等攻擊類型。

文獻[10]中給出一個組證明協議,協議雖能夠具備較好的安全性,但協議因選擇加密算法為物理不可克隆函數,需進行的計算次數及計算量較大,協議推廣受限,同時協議僅適用于證明單組標簽存在。

文獻[11]中設計了一個組證明協議,協議雖聲稱可以提供多組標簽存在進行證明,但深入分析協議僅能對一組標簽存在進行證明。文獻[12]中給出一個證明協議,作者對協議分析,表明協議具備較高安全性。

文獻[13]中對文獻[12]中協議進行了分析,指出文獻[12]中協議并不安全,分析指出文獻[12]中協議存在隱私泄露安全不足,同時文獻[13]中提出一個組證明協議。對文獻[13]的協議進行分析,協議采用連接運算,攻擊者竊聽消息后,可以分析出部分信息數值,再結合隨機數明文傳送,攻擊者可以分析出部分隱私信息,因此文獻[13]中協議也同樣存在隱私信息泄露問題。

本文介紹了組證明協議產生的背景,分析了部分經典組證明協議,指出其中優勢及不足之處,最后給出一個基于反比例函數實現加密的組證明協議。本文協議設計時為盡可能降低計算量,先設計一種基于能夠按位運算實現的反比例函數加密算法,能夠降低計算量的同時,確保隱私信息安全性。

2 反比例函數

本文反比例函數具體是按照如下方式實現對需要傳送的信息進行加密:x、y是需要傳送的信息,A是需要傳送信息y自身的漢明重量值、B是需要傳送信息x自身的漢明重量值。

3 組證明協議

3.1 符號解釋

DB:服務器;

R:讀寫器;

T:標簽;

Ti:標號為i的標簽;

Ki:DB與Ti之間共享密鑰值;

IDSi:Ti的假名;

IDi:Ti的標識符;

gid:Ti所在的標簽組編號;

xi:Ti產生的隨機數;

y:DB產生的隨機數;

⊕:異或運算;

&:與運算;

h():反比例函數運算。

3.2 協議闡述

RFID組證明協議的流程如圖1所示。

圖1 RFID組證明協議流程

結合圖1中流程可將本文協議具體步驟闡述如下:

(1) R向可通信范圍內的所有T發送hello消息,開啟組證明協議。

(3) R在收到所有消息后,將收到的消息轉發給DB。

(5) R在收到消息后,將收到的消息廣播給通信范圍內的所有T。

上述DB在更新信息時需要分兩種情況進行討論,具體信息如下:

(11) R收到信息后,將接收到的信息廣播給仍處于活躍狀態下的T。

4 協議安全性

(1) 前向安全性。攻擊者通過獲取當前會話消息分析出下輪會話用到的消息,攻擊者無法成功。協議加密過程中有隨機數的加入,使得前后兩次會話消息之間無關聯;隨機數隨機產生,攻擊者無法從當前會話用到的隨機數預測下次加密用到的隨機數。故協議具備前向安全性。

(2) 后向安全性。攻擊者通過獲取當前會話消息逆推出上輪會話中隱私信息,攻擊者仍無法成功。協議設計中所有消息加密時必須混入隨機數,隨機數具備隨機性、互異性、無法預測性,因此攻擊者無法逆推出上輪會話用到的隱私信息。故協議具備后向安全性。

(3) 存在證明正確性。協議在步驟(10)中,首先會對標簽進行驗證,只有當所有標簽通過驗證之后,服務器才會開始對處于激活狀態下的標簽存在的證明正確性再次進行驗證。服務器一端是通過消息a、b對處于激活狀態下的標簽進行存在證明正確性驗證,依據文中對a、b消息的計算由來可發現,任何假冒的標簽都不可能通過前面若干步驟復雜的計算及驗證階段。故協議能夠確保標簽存在證明正確性。

(4) 隱私信息安全性。攻擊者想從竊聽的消息中分析出用戶的部分或全部隱私信息,攻擊者無法成功。協議所有加密過程中一定保證至少有兩個參量攻擊者處于無法獲取或知曉狀態,假定每個參量的長度都為32位,則攻擊者想要獲取某個加密消息里面兩個隱私信息正確性的概率為1/2×1/2×…×1/2=1/264,幾乎為零。故協議具備確保隱私信息的安全性。

(5) 異步攻擊。協議在服務器一端存放有前后兩次會話用到的標簽的假名、標簽與服務器之間共享密鑰值用以抵抗攻擊者發起的異步攻擊。結合協議步驟描述中的步驟(10)可以看出,服務器一端對接收到的消息會先用當前的假名、共享密鑰值對消息進行驗證。若失敗,服務器一端將會再次用上輪的標簽假名、共享密鑰值對消息再次進行驗證。通過上面一種機制,可以恢復服務器與標簽之間的一致性。故協議能夠抵抗異步攻擊。

(6) 重放攻擊。攻擊者通過某些手段獲取上輪會話消息,在當前會話過程中攻擊者重放上輪消息以企圖通過服務器或標簽一端的認證,進而獲取隱私信息,但攻擊者無法成功。協議上輪與本輪加密消息值根本不會相同,因為加密時混入隨機數,使得攻擊者獲取的上輪消息僅能適用于上輪會話,根本不適用其他會話過程。故協議能夠抵抗重放攻擊。

5 協議性能

將本文協議與其他經典協議在標簽一端的計算量、是否適用于多組標簽存在證明等角度進行對比分析,對比分析的結果如表1所示。

表1 本文協議與其他協議的對比

在表1中出現部分符號的含義如下:Ja表示產生隨機數的時間復雜度;Jb表示反比例函數加密的時間復雜度;Jc表示按位運算的時間復雜度;Jd表示哈希函數加密的時間復雜度;Je表示物理不可克隆函數加密的時間復雜度;Jf表示模運算算法加密的時間復雜度;Jg表示偽隨機函數的時間復雜度。在上述運算中,Jb表示反比例函數是可以基于按位運算實現,Jc表示按位運算本身就是按位運算,其他運算均不是基于按位運算實現,因此運算量不屬于同一個級別。按照劃分,反比例函數及按位運算的計算可屬于超輕量級,其他運算的計算屬于輕量級。

結合本文表1及上述兩段文字描述可以看出,本文協議能夠減少通信實體計算量,且計算量要少于對比的所有其他協議,同時本文協議還適用于多組標簽存在的證明,能夠彌補部分協議僅能證明單組標簽存在證明的不足。結合第4節對協議安全性的分析可以得知,本文協議具備較高的安全性,能夠抵抗常見類型的攻擊,可以彌補其他協議存在的安全不足缺陷問題。

6 結 語

分析近些年經典的證明協議,指出協議存在僅能證明單標簽或單組標簽存在不足,設計一種可以證明多組標簽同時存在的組證明協議。協議并未采用傳統的加密算法或基于HASH函數的加密算法,而是采用一種構造的反比例函數進行加密,構造的反比例函數可基于位運算實現,使得協議整體計算量得到一定幅度上降低;協議加密過程中,為確保隱私信息的安全,采用假名替代真實標識符的方式進行會話。將協議與其他經典協議進行安全及性能角度方面的比較分析,表明本文設計協議能夠彌補其他協議存在的不能證明多標簽存在的缺陷,同時計算量、角度也優于其他協議。