淺談基于哈希函數的RFID身份認證協議

摘要：對基于哈希函數的RFID身份認證協議進行了簡要的介紹，對多個協議的安全性能進行了詳細的分析和比較，指出其存在的安全缺陷，并提出相應的改進思路。

引言

　　無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸式的自動識別技術，可以視為無線版本的條形碼，具有使用時間長、讀取精度高、能夠加密標簽數據、數據容量更大、操作便捷等優點。RFID技術在生活中的應用日趨廣泛，其安全與隱私問題也日益受到關注，比如偽造標簽、非法訪問等。身份認證是保證信息安全的關鍵技術之一，由于RFID系統中標簽的存儲空間和計算能力有限，難以進行復雜的數據加、解密運算，因此輕量級的RFID身份認證協議成為當前研究的熱點之一。

　　現有的輕量級RFID身份認證協議多數基于哈希函數，其中比較典型的有：哈希鎖協議^[1]、隨機哈希鎖協議^[2]、哈希鏈協議^[3]等，這幾個協議都存在無法保障用戶隱私、標簽容易追蹤等安全隱患。對此，Shen等人提出了一種基于匿名機制的RFID身份認證協議ARAP(Anonymous RFID Authentication Protocol) ^[4]。本文將對多個RFID身份認證協議進行簡要介紹，著重對其安全性能進行討論和比較。

1 協議簡介

1.1 哈希鎖協議

　　哈希鎖協議采用哈希函數實現簡單的訪問控制，工作原理如圖1所示：閱讀器存儲每個標簽的訪問密鑰Key，并生成metaID=hash(key)，寫入標簽。標簽接收到閱讀器的訪問請求時，發送metaID，閱讀器則查出相應的key發給標簽。標簽計算并判斷hash(key)與metaID是否相同，若相同，則把自己的ID信息發給閱讀器。

1.2 隨機哈希鎖協議

　　隨機哈希鎖是哈希鎖協議的改良，工作原理如圖2所示：當收到閱讀器的訪問請求時，標簽先生成一個隨機數R，并和計算的h(IDk||R)一起發給閱讀器。閱讀器將此信息轉送給后臺數據庫，后臺數據庫則需要窮舉所有標簽的ID_i來計算h(ID_i||R)，直至找到計算值與接收到的哈希值相同的ID_i，閱讀器將此ID_i發回，對標簽進行解鎖和訪問。

1.3 哈希鏈協議

　　在哈希鏈協議中，標簽和閱讀器共享兩個哈希函數H和G，H用來進行更新，G用來計算響應消息，具體過程如圖3所示，S為共享的初始隨機標識符。在收到閱讀器的查詢請求時，標簽返回ai=G(Si)，同時更新當前的Si為Si+1 =H(Si)，準備接受閱讀器的下一個訪問請求。

1.4 ARAP協議

　　在ARAP協議中，閱讀器R和標簽T都擁有一個偽隨機數發生器，每個標簽T都與后端數據庫DB共享一個初始秘密x_T，DB能夠根據T的假名P遍歷出初始共享的秘密x_T，實現對T的身份認證。具體認證過程如圖3所示：

　　(1)R→T：R向T發送認證請求Query和隨機數r_R;

　　(2)T→R：T計算S=h(P⊕x_T)和M=h(r_T⊕r_A⊕P)⊕S，并向R發送消息{r_T，P，M}作為應答，其中x_T是T與R互相共享的秘密;

　　(3)R→DB：R向DB發送消息{r_T，r_R，P，M};

　　(4)DB→R：DB收到消息后，計算S’=h(P⊕x_T)和M’=h(r_T⊕r_A⊕P)⊕S’，驗證M’與M是否相等。若相等，則通過認證，DB計算N’=h(M’⊕S’)發送給R。否則，認證失敗，協議終止。

　　(5)R→T：R收到N’后轉發給T，T計算N=h(M⊕S)，驗證N’與N是否相等，若相等，則R通過認證，T更新假名P，否則認證失敗，協議終止。

2 協議的安全和性能分析

2.1 協議的安全性分析

　　哈希鎖協議為標簽提供初步的訪問控制，可在一定程度上保護標簽數據，抵抗非法訪問攻擊^[5]。但由于每次標簽響應時均使用固定的metaID，攻擊者可將此當作對應標簽的別名，跟蹤標簽及其攜帶者。此外，密鑰key通過明文傳輸，攻擊者容易竊取，并可以通過記錄、計算組合(metaID，key，ID)，在與合法標簽或者閱讀器的信息交互中進行假冒攻擊。

　　隨機哈希鎖協議采用基于隨機數的詢問/應答機制，可防止標簽被跟蹤，保護其隱私。但由于標簽的返回消息不包含能夠唯一確定本次會話的標識，攻擊者可以此進行重放和假冒攻擊。再者，每確認一個標簽身份都需要遍歷數據庫所存的所有ID，認證過程耗時較多，且容易遭受拒絕服務攻擊。因此哈希鎖協議的可擴展性較差，只適用于小規模應用。

　　在哈希鏈協議中，標簽使用不同的標識符響應閱讀器的詢問，以確保前向安全性，但無法抵抗假冒閱讀器的攻擊。此外，閱讀器收到標簽的響應后，需要計算數據庫中所有標簽標識符的哈希值來與之匹配。若標簽被攻擊者惡意掃描多次，則將導致窮舉匹配時標簽的認證時間過長，系統無法正常工作。因此，哈希鏈協議也只適合小規模的應用，且無法抵抗重放和拒絕服務攻擊。

　　ARAP協議能夠實現匿名雙向認證，標簽使用了大量假名來防止被跟蹤，能夠很好地保障用戶的隱私，且協議每執行一次，假名P就隨之更新，能夠有效抵抗重放攻擊。在通常情況下，ARAP協議執行時保持標簽和閱讀器共享的信息同時更新，能夠抵抗拒絕服務攻擊。

　　但是，ARAP協議也存在因異或不當而被攻擊者假冒的安全隱患[6-7]。在ARAP協議的第2步中，標簽T計算了S=h(P⊕x_T)和M=h(r_T⊕r_A⊕P)⊕S，其中P為標簽的匿名，x_T為共享秘密，r_A和r_T分別為攻擊者與標簽生成的偽隨機數。若攻擊者截取了消息M，r_A，r_T，P，利用異或運算的性質(a⊕a=0，a⊕0=a)，則可直接計算M⊕h(r_T⊕r_A⊕P)=h(r_T⊕r_A⊕P)⊕S⊕h(r_T⊕r_A⊕P) =S，從而獲取S，就相當于獲得了閱讀器向標簽進行認證的鑰匙N’=h(M⊕S)，攻擊者可假冒閱讀器向標簽發送N’，從而獲取標簽的信任，成功進行假冒攻擊。

　　綜上，可通過表1對上述協議的安全性進行比較，其中ARAP協議比其他3個協議復雜，安全性能也略勝一籌。無法抵抗假冒攻擊是ARAP協議的重大缺陷。

2.2 協議的性能分析

　　在RFID系統中，標簽的存儲空間和計算能力有限，認證協議在解決安全性問題的同時，也要盡可能減少標簽的計算量和存儲容量，以降低標簽的成本。在此對典型的RFID身份認證協議進行對比，比較各協議中標簽、閱讀器和后端數據庫的計算量，結果如表2所示。其中，“H”表示Hash運算的次數，“X”表示異或運算的次數，“R”表示產生隨機數的次數，“N”表示數據庫存儲的標簽數量，“j”表示Hash鏈的長度。

　　通過比較，哈希鎖協議的計算量是最小的，但其安全性得不到保證。隨機哈希鎖協議和哈希鏈協議的計算量與標簽數量成正比，且執行過程需要遍歷計算，只適合小規模應用。ARAP協議的計算量相對較大，但其并沒有采用計算開銷大的操作，協議中的哈希運算、異或運算、隨機數運算標簽都夠實現，在RFID系統可執行的能力范圍之內，具有較高的可行性。

3 結束語

　　本文主要對基于哈希函數的四種RFID身份認證協議進行了簡要介紹和安全性能分析，與哈希鎖協議、隨機哈希鎖協議和哈希鏈協議相比，ARAP協議的安全性能較好，但存在因異或不當而遭受假冒攻擊的安全隱患。對此，需要對部分異或運算和驗證操作進行修改，將標簽用戶的秘密隱藏入哈希函數中，使攻擊者無法通過異或運算實施假冒攻擊。ARAP協議的全面分析和改進工作將在后繼的科研工作中展開。

參考文獻：

　　[1] SARMA S E, WEIS S A, ENGELS D W. RFID systems and security and privacy implications[C].//Proceedings of the 4th International Workshop on Cryptographic Hardware and Embedded Systems, New York: Springer-Verlag, 2002: 454-469

　　[2] WEIS S A, SARMA S E, RIVEST R L, et al. Security and privacy aspects of low-cost radio frequency identification systems[J]. Security in Pervasive Computing, 2004, 28(2):201-212

　　[3] OHKUBO M, SUZUKI K, KINOSHITA S, Hash-chain based forward-secure privacy protection scheme for low-cost RFID[C].//Proceedings of 2004 Symposium on Cryptography and Information Security(SCIS 2004), Berlin: Springer-Verlag, 2004:719-724

　　[4] SHEN J, CHOI D, MOH S, et al. A novel anonymous RFID authentication protocol providing strong privacy and security[C].// Proceedings of 2010 International Conference on Multimedia Information Networking and Security, Nanjing: ACM Press, 2010: 584-588

　　[5] 陸桑璐,謝磊.射頻識別技術:原理、協議及系統設計 [M] . 北京:科學出版社,2014

　　[6] 田蕓,陳恭亮,李建華. 針對RFID身份認證協議-ARAP協議的攻擊及改進[J]. 中國電子科學研究院學報, 2011, 6(6) : 556-560

　　[7] 李景峰,郭衛鋒. 對ARAP認證協議的攻擊及改進[J]. 武漢大學學報(理學版), 2012, 58(6) : 526-530

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第1期第30頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。