0 引言

    由于人們無法感知射頻信號的非法讀取，導(dǎo)致RFID技術(shù)存在特有的安全與隱私問題。在RFID系統(tǒng)的標(biāo)簽與閱讀器之間主要存在以下7種攻擊：假冒標(biāo)簽攻擊、假冒讀寫器攻擊、跟蹤標(biāo)簽攻擊、竊聽攻擊、中間件攻擊、重放攻擊、去同步攻擊。其中假冒讀寫攻擊、跟蹤標(biāo)簽攻擊、竊聽攻擊與中間件攻擊破壞標(biāo)簽的隱私性。因此保證RFID系統(tǒng)的隱私，需要滿足保密性、不可跟蹤性、前向安全與驗證讀寫器4種隱私保護需求^[1]。一些研究使用樹結(jié)構(gòu)來保存秘鑰，以此降低搜索復(fù)雜度(O(n)->O(log n))，而此類方案易受妥協(xié)攻擊，因此，基于樹狀協(xié)議的隱私等級較低。

    文獻(xiàn)[2]基于物理實體的內(nèi)在物理構(gòu)造來唯一地標(biāo)識單個物理實體實現(xiàn)有效認(rèn)證的思路，提出了PUF(物理不可克隆函數(shù))，PUF具有魯棒性、不可克隆性以及不可預(yù)測性特點，目前廣泛應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的認(rèn)證領(lǐng)域。文獻(xiàn)[3，4]均采用PUF(物理不可克隆函數(shù))來提高RFID的安全性，然而此類算法均為narrow-destructive隱私性^[5]，其搜索復(fù)雜度最低為O(logN)。

    本文提出一種基于PUF的RFID驗證協(xié)議，本協(xié)議最大的優(yōu)勢是無需搜索數(shù)據(jù)庫(識別標(biāo)簽)，其搜索復(fù)雜度僅為O(1)，因此本協(xié)議可應(yīng)用于大規(guī)模RFID網(wǎng)絡(luò)。本協(xié)議在標(biāo)簽與閱讀器端不需要多余的計算與通信開銷，并且本算法可抵御旁道攻擊。

1 背景知識介紹

    假設(shè)標(biāo)簽為T，其ID唯一，閱讀器為R。RFID系統(tǒng)包含若干的閱讀器R、發(fā)送器以及一個后端數(shù)據(jù)庫，發(fā)送器與數(shù)據(jù)庫間有一個信道。

1.1 系統(tǒng)模型

    RFID功能可表示為如下的函數(shù)形式：

    (1)SetupReader(1^S)→(K_S，K_P)：生成一個公共參數(shù)K_P、一個隱私參數(shù)K_S與一個閱讀器的安全參數(shù)s，同時生成一個數(shù)據(jù)庫(其中保存標(biāo)簽的ID)。

    (2)生成一個標(biāo)簽(ID唯一)、一個秘鑰K與一個內(nèi)存狀態(tài)S。如果該標(biāo)簽合法，則將ID與K保存于數(shù)據(jù)庫中。

    (3)IdentTag→out：該函數(shù)表示標(biāo)簽T與閱讀器R之間的一次交互。如果閱讀器最終識別出該標(biāo)簽，則輸出標(biāo)簽的ID，否則輸出“?”。

1.2 攻擊模型

    假設(shè)攻擊者A具備以下性質(zhì)：首先，攻擊者C執(zhí)行SetupReader(1^S)程序，生成1^S、K_S與K_P 3個參數(shù)，并將1^S、K_P傳至A；然后A使用CreateTag^b(ID)生成標(biāo)簽，本模型按標(biāo)簽是否在攻擊者的閱讀范圍內(nèi)將標(biāo)簽分類：如果在閱讀范圍內(nèi)分類，則為危險標(biāo)簽(DanTag)，否則為安全標(biāo)簽(SecTag)。

    為攻擊者定義以下10個行為或攻擊能力：

    (1)CreateTag^b(ID)：創(chuàng)建一個SecTag并為其分配一個ID。該函數(shù)使用創(chuàng)建標(biāo)簽，如果該標(biāo)簽合法(b=1)，則將其加入數(shù)據(jù)庫中。

    (2)DanTag(distr，n)→(vtag₀，b₀，…，vtag_n-1，b_n-1)：從SecTag標(biāo)簽集中隨機地選擇n個標(biāo)簽，并將標(biāo)簽狀態(tài)從SecTag變?yōu)镈antag。為選擇的標(biāo)簽分配一個新的ID并輸出虛擬標(biāo)簽(vtag₀，…，vtag_n-1)，如果該標(biāo)簽已經(jīng)為Dantag或已不存在，則輸出“？”。

    (3)Free(vtag)：將標(biāo)簽狀態(tài)從DanTag變?yōu)镾ecTag。

    (4)Launch()→π：觸發(fā)閱讀器開始新的協(xié)議循環(huán)，輸出為該輪協(xié)議的IDπ(為每輪協(xié)議設(shè)置一個標(biāo)識ID)。

    (5)SendReader(m，π)→m′：發(fā)送一個消息m至閱讀器R(在協(xié)議循環(huán)π中)，閱讀器的回復(fù)消息為m′。

    (6)SendTag(m, vtag)→m′：發(fā)送一個消息m至標(biāo)簽，其虛擬ID為vtag。閱讀器的回復(fù)消息為m′。

    (7)Execute(vtag)→(π，transcript)：在標(biāo)簽(該標(biāo)簽虛擬ID為vtag)與閱讀器之間執(zhí)行完整的協(xié)議。該協(xié)議由Lauch()開始，然后是SendReader與SendTag，輸出協(xié)議循環(huán)π的成功消息列表。

    (8)Result(π)→x：如果閱讀器成功識別一個合法的標(biāo)簽，則返回1；否則返回0。

    (9)Time(π)→δ：返回閱讀器的總計算時間δ。

    (10)Corrupt(vtag)→S：獲得標(biāo)簽(虛擬ID為vtag)的當(dāng)前狀態(tài)S。

1.3 隱私分類

    攻擊者分為強(strong)、破壞性(destructive)、前向(forward)、弱(weak)攻擊者，此外與這4類攻擊者正交的還有wide與narrow兩個攻擊者的概念，wide攻擊者可通過閱讀器訪問認(rèn)證結(jié)果，但narrow攻擊不行。圖1描述了6種攻擊概念之間的關(guān)系^[5]。

1.4 安全性級別

    定義1 正確性：如果在IdentTag程序之后R返回標(biāo)簽ID的成功率極高，則認(rèn)為該協(xié)議符合正確性。

    定義2 強正確性：如果在R與合法標(biāo)簽T交互之后返回標(biāo)簽ID的成功率極高，則認(rèn)為符合強正確性。

    定義3 穩(wěn)固性[5]：如果對合法標(biāo)簽T假冒攻擊的成功率極低，則認(rèn)為符合穩(wěn)固性。

1.5 隱私性

    定義4 盲攻擊：假設(shè)B表示一個算法，仿真了Lauch()、SendReader(m，π)、SendTag(m，vtag)與Result(π)4個程序的串行組合(對于攻擊者A)，并且不知道任何的秘密信息。一個盲攻擊者(A^B)不使用Lauch()、SendReader(m，π)、SendTag(m，vtag)與Result(π)程序，如果存在B，則攻擊者A威脅極小，即|Pr[Awins]-Pr[A^B wins]|可忽略不計。

2 本文大規(guī)模RFID網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議

    定義5 Hash函數(shù)：假設(shè)l∈N是一個安全參數(shù)，γ，K∈N是l中的項，則hash函數(shù)H可定義為{0，1}^γ→{0，1}^K，其條件為：

    (1)對于一個給定的輸出y_i，無法反向計算出滿足H(x_i)=y_i的x_i。

    (2)計算出滿足條件x_i≠x_j && H(x_i)=H(x_j)的參數(shù)組合(x_i，x_j)難度極高。

    定義6 物理不可克隆函數(shù)(PUF)^[6]：假設(shè)l∈N是安全參數(shù)，γ，K∈N是l的項。理想的PUF(設(shè)為P)定義為{0，1}^γ→{0，1}^K，其條件如下：

    (1)對于參數(shù)對(c_i，c_j)∈{0，1}^γ，P(c_i)=r_i，P(c_j)=r_j。如果c_i=c_j，則概率Pr[r_i=r_j]=1。

    (2)攻擊者無法在有限次數(shù)內(nèi)計算出P的輸出。

    表1所示是本文預(yù)設(shè)參數(shù)及其意義。

    本文協(xié)議主要有兩個階段：初始化與驗證階段，圖2所示是本文RFID隱私保護協(xié)議的主要流程。

2.1 初始化階段

    為數(shù)據(jù)庫隨機生成秘鑰S，為每個標(biāo)簽生成兩個隨機且唯一的秘鑰a與b。然后，為每個標(biāo)簽計算其秘鑰c=SP(a)P(b)，其中P(·)是各標(biāo)簽的嵌入PUF。數(shù)據(jù)庫保存每個標(biāo)簽的基本信息{ID，a，b，DATA}。

2.2 驗證階段

    (1)每個閱讀器生成一個隨機數(shù)r₁∈{0，1}^l并廣播該隨機數(shù)。

    (2)標(biāo)簽T_i生成一個隨機數(shù)r₂∈{0，1}^l，計算M₁←H(r₁，r₂，a_i)，M₂←H(r₁，r₂，a_i)ID_i，h←H(r₂，1，2)。然后，將P_i(a_i)與r₂做異或運算，計算出消息k。使用kP_i(b_i)c_i代替消息k，從內(nèi)存中刪除P_i(b_i)。標(biāo)簽將M₁、M₂、k發(fā)送至閱讀器。

    (3)閱讀器生成一個隨機數(shù)r₃∈{0，1}^l。計算閱讀器通過計算驗證M₁以實現(xiàn)標(biāo)簽T_i的驗證。如果成功驗證標(biāo)簽T_i，閱讀器則計算然后將r₃與M₃發(fā)送回標(biāo)簽T_i。

    (4)標(biāo)簽T_i通過計算H(h，r₃，b_i)驗證M₃。如果驗證成功，則T_i成功驗證閱讀器。

3 本文協(xié)議的性能分析

3.1 安全性分析

    本文協(xié)議理論上可抵御假冒攻擊，下文將證明本方法對假冒攻擊具有安全性。因為本文協(xié)議是無狀態(tài)協(xié)議，并且標(biāo)簽無需與數(shù)據(jù)庫保持同步，因此，去同步攻擊對本協(xié)議也無效。

    引理1：假設(shè)A是一個destructive級別的攻擊者。A的特點是在不執(zhí)行Corrupt程序的情況下，獲得共享秘鑰的成功率極低。

    證明：假設(shè)有一個攻擊者A可學(xué)習(xí)共享秘鑰(不執(zhí)行Corrupt程序)。每個標(biāo)簽響應(yīng)閱讀器的查詢語句(M₁，M2，k)，其中k=Sr₂，r₂是標(biāo)簽產(chǎn)生的隨機值。為了獲得共享秘鑰S，A需要知道隨機數(shù)r₂，然而，r₂并沒有隨密文發(fā)送，A必須從消息M₁、M₂與M₃中破解出r₂。此外，將標(biāo)簽ID ID_i以密文形式H(r₂，r₁，1)ID_i發(fā)送至閱讀器，在不知道隨機值的情況下A無法破解出IDi。

3.2 計算效率與隱私性實驗與分析

    在此分析標(biāo)簽端與數(shù)據(jù)庫端的性能。本協(xié)議中，一個標(biāo)簽共需完成4個hash運算、兩個PUF運算與4個XOR運算，數(shù)據(jù)庫端則需要完成一個標(biāo)簽驗證程序，該驗證需要3個hash運算與兩個XOR運算，其復(fù)雜度為O(1)。本協(xié)議在標(biāo)簽端與數(shù)據(jù)庫端均無需秘鑰更新機制。

    表2所示是本文方法與其他RFID隱私保護算法的計算效率與隱私性比較，其中，成本1：共2¹²⁸個標(biāo)簽的RFID網(wǎng)絡(luò)；成本2：共2¹⁶個標(biāo)簽的RFID網(wǎng)絡(luò)；成本3：共N個標(biāo)簽的RFID網(wǎng)絡(luò)；nonce：生成隨機數(shù)操作；hash：哈希運算；PUF：PUF運算。從中可看出，本方法具有最高的隱私等級，并且其數(shù)據(jù)庫端的計算復(fù)雜度較低。

4 結(jié)論

    PUF具有魯棒性、不可克隆性以及不可預(yù)測性特點，本文提出一種基于PUF的RFID驗證協(xié)議，本協(xié)議最大的優(yōu)勢是無需搜索數(shù)據(jù)庫(識別標(biāo)簽)，其搜索復(fù)雜度僅為O(1)，因此本協(xié)議可應(yīng)用于大規(guī)模RFID網(wǎng)絡(luò)。與其他RFID隱私保護算法的比較結(jié)果顯示，本方法具有最高的隱私等級，并且其數(shù)據(jù)庫端的計算復(fù)雜度較低。

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