物聯網時代的RFID系統安全探討

◆左文濤 羅國強 彭平 吳新玲

行業與應用安全

物聯網時代的RFID系統安全探討

◆左文濤1羅國強2彭平1吳新玲1

（1.廣州工商學院 廣東 510850；2.廣州科技職業技術大學 廣東 510550）

隨著2020年國家5G網絡的正式商用，物聯網技術的蓬勃發展必將導致相應的安全問題日益突出。RFID作為物聯網感知層的關鍵技術之一，正面臨嚴重的安全威脅。本文通過對RFID在物聯網體系結構中的重要性和特性進行闡述、分析RFID系統體系結構和工作原理以及RFID系統在物聯網應用中面臨的安全問題，設計一種標簽與讀寫器之間的無線密鑰生成算法。

物聯網；RFID系統；標簽；讀寫器；密鑰

1 引言

《中國制造2025》中指出加快物聯網的應用，發展物聯網產業，是實現技術自主可控，保障國家安全的迫切需要；是促進產業結構調整，推進兩化融合的迫切需要；是發展戰略性新興產業，帶動經濟增長的迫切需要；是提升整體創新能力，建設創新型國家的迫切需要。RFID系統作為物聯網的關鍵技術之一，其發展的戰略意義巨大。RFID系統的安全問題已逐漸成為制約RFID技術推廣應用的主要因素之一。

RFID系統電子標簽的靈活攜帶和無線識別與物聯網的物物相連互通的理念相似。RFID作為物聯網分層結構感知層中最關鍵的技術之一，RFID系統的安全直接關系到物聯網安全和應用的推廣。

2 物聯網RFID系統體系概述

RFID是射頻識別技術，興起于20世紀90年代的一種利用射頻信號通過空間耦合實現無接觸的自動信息識別技術，具有抗干擾性強、防水防磁、能遠程讀取并且傳播速度快、數據可加密、數據標簽存儲容量大，可重復使用并且使用時間長等優點，被廣泛使用在物聯網感知層中，承擔著信息采集的工作。

一個基本的RFID系統包括標簽（TAG）、讀寫器（Reader）、后臺數據庫系統組成。

2.1 RFID系統結構

物聯網系統在感知層使用RFID系統，必須結合物聯網的中間件以及網絡層對名稱解析服務轉換為應用層的信息使用，這樣才能在物聯網應用中突出RFID系統的作用，在物聯網體系結構中的RFID體系結構如圖1所示：

圖1 RFID體系結構圖

2.2 RFID系統工作原理

讀寫器天線的無線發射磁場偵測到電子標簽（RFID標簽）進入后，若電子標簽能接收到讀寫器發出的特殊射頻信號，就能憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在電子標簽芯片中的產品信息（無源標簽），或者電子標簽主動發送某一頻率的信號（有源標簽），讀寫器讀取信息并解碼查詢相關信息結果，轉化為RFID碼，通過有線傳輸方式送至后臺物聯網信息數據庫系統進行有關數據處理。

3 物聯網RFID系統存在安全隱患

RFID系統架構組成元器件以及系統設計的特性存在一定的安全問題，一般情況認為讀寫器與后臺數據庫信息系統間的連接是安全可靠的，產生安全問題的主要源自讀寫器和標簽之間數據在保密性、完整性、可用性以及不可抵賴性方面受到的安全威脅，我們從物理安全、通信安全、數據安全三方面來分析RFID系統安全威脅。

3.1 RFID系統架構的物理安全

讀寫器和標簽偽造屬于RFID系統的物理方面安全，偽造的設備能夠篡改物聯網商品信息和標簽使用人員的身份，破壞RFID系統的信用。同時隨著物聯網的RFID標簽越來越多，RFID碰撞影響將不可避免，多個標簽進入讀寫器的識別區域，標簽沖突和讀寫器沖突都有可能發生。

3.2 RFID系統的通信安全

標簽與讀寫器之間的無線通信信道存在不安全因素，攻擊者可以利用常規攻擊手段非法截取通信數據，也可以通過發射干擾信號來堵塞通信鏈路，同時還可以冒名頂替、篡改、偽造數據。

3.3 RFID系統的數據安全

RFID系統中標簽信息內容不向未授權認證的讀寫器發送敏感信息（商品信息、位置信息和標簽數據格式），讀寫器也不能隨意讀取標簽內的敏感信息。RFID系統必須保證數據在傳輸過程沒有被非法的篡改、偽造和刪除。

4 物聯網RFID系統安全解決途徑

4.1 針對物理安全、通信安全、數據安全的解決方法

對RFID系統的標簽數據格式、存儲信息進行加密，利用特殊加工工藝提高標簽的偽造成本。在安裝讀寫器時可識別的讀取范圍內盡量不重疊，同時利用信道分配、功率控制、時隙分配等手段解決碰撞問題。

用加密手段（RSA算法、HASH、橢圓曲線）保證數據安全，同時保證電子標簽內無敏感信息，無特殊意義的ID信息。本文利用標簽與讀寫器之間建立一種位運算的密鑰無線算法保證通信安全。

4.2 RFID系統密鑰無線生成算法

RFID系統在物聯網的應用中，讀寫器與標簽之間基本有以下三種情況：（1）一個標簽與一個讀寫器的通信；（2）多個標簽與一個讀寫器的通信；（3）多給標簽與多給讀寫器間的通信。標簽與讀寫器之間的密鑰動態生成，兩者之間生成共享密鑰，并且通信過程雙方相互認證后建立安全可靠的通信鏈路。

本文以多標簽密鑰生成算法分析，首先假設標簽一端保存有如下信息：（ID，ID_S）；讀寫器一端保存有如下信息：（ID_i，ID_i_S）。算法出現的公式符號說明如表1：x –代表隨機數，&-與運算，⊕-異或運算，ID_i_S_R-第i個標簽的假名標識符右半部分，ID_i_S_L-第i個標簽的假名標識符左半部分。

表1 算法公式符號說明

圖2 多標簽密鑰生成算法

算法過程描述如圖2所示：（1）讀寫器向標簽發出Request請求；（2）標簽接收到信息后利用表1的計算公式計算N1；（3）讀寫器收到信息后，利用查找存放的（ID_i， ID_i_S）驗證是否滿足N1，每個不同的標簽在接收到讀寫器發送來的消息且通過驗證之后，共享密鑰KEY的生成過程中需要根據每個標簽的自身信息（ID_i， ID_i_S）來生成屬于自身的個體密鑰；（4）標簽接收到信息后，參照表1算法驗證讀寫器的正確性。

RFID系統密鑰無線生成算法，在標簽和讀寫器之間的前后信道假設都可以被攻擊者攻擊，進行雙方驗證，對信息加密過程用到按位運算的運算和異或運算，減少標簽和讀寫器之間的通信計算，并且滿足RFID系統的安全。

5 結論

隨著物聯網時代的到來，RFID技術將應用于日常生活、生產的各個方面，RFID系統安全在標簽、閱讀器之間的通信安全和數據安全提出更高的要求，只有深入研究RFID系統各組成部分的安全機制和各組成部件之間的安全通信協議和算法才能保證物聯網健康、高效、安全可靠的長期蓬勃發展。

[1]李琦，劉丹妮.物聯網RFID系統安全防護[J].信息通信技術與政策，2019（5）：5.

[2]馬一兵.物聯網時代的RFID信息安全探討[J].信息安全與技術，2010（10）：55.

[3]簡碧園，劉道微. 基于位運算的RFID系統密鑰無線生成算法[J].計算機工程與應用，2017，53（16）：98-103，115.

[4]http://tech.rfidworld.com.cn/2018_06/2fc69a845d7c0788.html [EB/OL]. RFID技術以及RFID系統組成分析詳解.

[5]胡國勝，方龍雄. RFID系統安全分析[J]. 計算機安全，2013（01）：40-45.

[6]M. Suzuki，R. Ueno，N. Homma，and T. Aoki，“Multiple-Valued Debiasing for Physically Unclonable Functions and Its Application to Fuzzy Extractors，”Constructive Side-Channel Analysis and Secure Design （COSADE）2017，pp.248-263.

教育部高等教育司2019年第一批產學合作協同育人項目“騰科數據科學與大數據技術專業師資培訓”（項目編號：201901105017）；廣州工商學院2019年院級科研課題“基于物聯網的智能視頻監控設備研究--以華為海思芯片為例”（項目編號：KA201935）