基于ANT算法的轻量级RFID单标签认证协议.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 191 基于 ANT 算法的轻量级 RFID 单标签认证协议 张东海1 潘学松2,3 王德龙2 赵 洁2 王欣儒1 1.中国海洋大学 信息科学与工程学部,山东 青岛 266100 2.青岛海尔空调器有限总公司,山东 青岛 266000 3.数字化家电国家重点实验室,山东 青岛 266000 摘要:摘要:近年来,无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术凭借其低成本、抗污染性强和快速识别等优点被广泛应用于各种场景,但其安全认证协议在单标签认证的情景下存在认证效率较低且安全性较差的问题。因此,本文本文提出一种基于 ANT
2、 算法的轻量级 RFID 认证协议(Lightweight RFID Security Authentication Protocol based on ANT,LRSAA)。通过对轻量级分组密码 ANT 的轮函数进行扩展置换,降低标签资源消耗并提高认证效率同时提升系统的安全性。本文本文对 LRSAA 协议进行了安全性及资源消耗分析,表明该协议能够在保障系统安全性的前提下降低标签消耗的资源,满足低成本 RFID 标签所需的较低的资源需求。关键词:关键词:RFID 安全认证;轻量级认证协议;ANT 中图分类号:中图分类号:TP391 0 引言 无线射频识别技术是一种通过无线电波的空间耦合来自动识
3、别物体,实现非接触式信息交互的技术。它具有防水、防磁、方便快捷等多种优点1。为了提高RFID 系统的普适性,打破限制 RFID 系统大规模应用的成本问题,低成本的RFID标签逐渐受到研究者的青睐。但是低成本的标签面临着硬件资源、内存资源和运算资源受限的难题,且无法完全保障整个系统的信息安全。因此,研究适用于低成本标签的轻量级 RFID 安全认证协议具有重要的意义。1 相关工作 Chien 等人根据标签端所需执行操作的复杂程度,将用于 RFID 安全认证的协议划分四类2:在认证过程中采用传统密码学中的对称加密算法、非对称加密、加密单向函数等的重量级协议3,在标签端使用随机数和简单函数进行加密的简
4、单协议4,其标签可以支持伪随机数生成器和简单功能的轻量级协议5和仅涉及简单地按位逻辑运算的超轻量级协议6。对于 RFID 系统来说,传统的复杂加密算法难以适用于低成本标签的要求。同时超轻量级协议仅使用简单地按位操作,难以保证系统的安全需求。对于轻量级 RFID 认证协议,2017 年 Muhammad 等人7利用伪 kasami 码,提出一种 RFID 安全认证协议(KMAP),但该协议无法抵御去同步攻击。2020 年,Xiao等人8提出了一种基于 Skinny 算法的加密算法,但是其在更新阶段时将认证信息作为下一次认证的标签假名 FID,因此易遭受位置追踪攻击,有秘密泄露的风险。2 基于 A
5、NT 算法的轻量级 RFID 认证协议研究 2.1 ANT 分组密码扩展 ANT 属于 Feistel 结构型加密算法,由三个模块构成,包括初始化模块、轮函数模块和密钥生成模块。其分组大小可以进行调整,本文本文的研究是建立在 96 位的EPC 编码 RFID 系统上的,所以选择块大小为 128 位、密钥大小为 2N 的 ANT 加密算法。2.2 LRSAA 协议设计 ANT 协议主要包括三个阶段:系统初始化阶段、标签与阅读器的双向认证阶段和更新阶段。2.2.1 LRSAA 协议符号说明 LRSAA 协议的符号说明如表 1 所示:2.2.2 系统初始化阶段设计 系统初始化阶段是为了将标签信息、认
6、证所需密钥信息等存储在阅读器、区块链和标签端。在初始化阶段,标签保有自身唯一 ID、标签认证时的 FID 和标签与阅读器共享密钥 K。区块链存储FIDold,Kold,FIDnew,Knew,它们是上一轮次和当前轮次中用于中国科技期刊数据库 工业 A 192 认证的信息,其中 FID 是通过使用 ANT 加密 ID 获得的假名。阅读器存储FIDold,FIDnew,Height,其中Height 用于查询区块链上和的值。表 1 LRSAA 协议的符号说明 符号 说明 符号 说明 R 阅读器 E(X)ANT 加密 T 标签 n 随机数 ID 标签唯一标识 XOR 运算 FID 标签假名 与运算
7、FIDnew 下一轮次标签假名 x a x左位移 a比特 FIDold 上一轮次标签假名 ROR(X,b)x左循环位移 b 比特 K 标签阅读器的共享密钥 A,B,C,D R 与 T 交互信息 Kold 上一轮次共享密钥,R 与区块链交互信息 Knew 下一轮次共享密钥 Height 区块高度 2.2.3 标签识别阶段设计 首先阅读器向标签发送 Query 请求,标签将由加密算法加密的 FID 发送给阅读器,阅读器根据初始化阶段所保存的信息,来验证该标签是否合法。阅读器端收到标签发送的响应信息后查询本地是否存储对应的消息,即 FID=FIDold,或者 FID=FIDnew。若信息匹配,则向区
8、块链查询其用以通讯的密钥 K,接着进入双向认证阶段。如果标签所发送的 FID 与阅读器所存储的 FIDold,FIDnew 都不匹配,则协议终止。2.2.4 双向认证阶段设计(1)标签验证通过后,阅读器根据存储的 Height向区块链查询用以当前轮次阅读器与标签的共享密钥,随后阅读器生成随机数 n 并计算信息 A,B,将 A|B 发送至标签,A,B 的计算方法如式(4)和(5)所示:A=ROT(FIDn,K)(4)B=E(nK)(5)(2)标签端收到信息后,根据式(6)利用 FID 和 K提取出 n,并根据式(7)利用 n 和标签存储的 K 计算B。如果 B=B,则证明了阅读器的合法性,完成了
9、对阅读器的认证。否则证明消息在传递过程受到了恶意攻击,协议终止。n=ROT(A,K)FID(6)B=E(nK)(7)(3)标签根据密钥编排算法产生信息密钥 K,利用 K 生成信息 C,D 用以接下来阅读器对标签的认证,其中:C=ROT(FIDKnew,n)(8)D=E(Knewn)(9)(4)阅读器根据收到的信息 C,D,根据式(10)计算 Knew,进而根据式(11)计算 D,验证信息传输的安全性。如果 D=D则证明了标签的合法性,完成了对标签的认证,否则证明在传递过程受到了恶意攻击,协议终止。Knew=ROT(C,n)FID(10)D=E(Knewn)(11)2.2.5 同步更新阶段设计(
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