射频识别技术原理、安全及应用研究

RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。与传统的条型码、磁卡及IC卡相比，射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能同时处理多张卡片。在国外，射频识别技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。

一、组成部件及工作原理

1.RFID系统的组成

RFID系统在具体的应用过程中，根据不同的应用目的和应用环境，系统的组成会有所不同，但从RFID系统的工作原理来看，系统一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部分组成。

1)信号发射机

信号发射机典型的形式是标签(TAG)，也即射频卡。标签相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息，按照不同的分类标准，标签有许多不同的分类：主动式标签与被动式标签；只读标签与可读可写标签；标识标签与便携式数据文件。

2)信号接收机

信号接收机一般叫做阅读器，其基本功能是提供与标签进行数据传输的途径。

3)编程器

只有可读可写标签系统才需要编程器。编程器是向标签写入数据的装置。编程器写入数据一般来说是离线(OFF-LINE)完成的，也就是预先在标签中写入数据，等到开始应用时直接把标签黏附在被标识项目上。也有一些RFID应用系统，写数据是在线(ON-LINE)完成的，尤其是在生产环境中作为交互式便携数据文件来处理时。

4)天线

天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。

2.工作原理及流程

RFID系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

在耦合方式(电感？电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、从射频卡到阅读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。

阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程(主-从原则)；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。

射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。目前，长距离射频识别系统的价格还很贵，因此寻找提高其读写距离的方法很重要。影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、阅读器的RF输出功率、阅读器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、阅读器和射频卡的耦合度，以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的，写入距离大约是读取距离的40%？80%。

二、安全性设计

RFID通过磁耦合或微波的方式来实现能量与信号的非接触传输，从而有效地解决了以往接触式智能卡使用机械电气触点产生的静电击穿、机械磨损、易受污染和潮湿环境影响等问题。但是它没有改变智能卡使用认证算法和密钥等安全手段的模式，因此并没有从本质上解决安全问题。在研究RFID安全问题时，需要考虑到破坏性攻击和非破坏性攻击两个方面。

1.破坏性攻击及其防范

(1)版图重构

破坏性攻击的一个重要步骤是重构目标芯片的版图。通过研究连接模式和跟踪金属连线穿越可见模块的边界，可以迅速识别芯片上的一些基本结构，如数据线和地址线。芯片表面的照片只能完整显示顶层金属的连线，而它是不透明的。借助于高性能的成像系统，可以从顶部的高低不平中识别出较低层的信息。

基于微处理器的RFID设计中，ROM中可能不包含任何加密的密钥信息，但是它的确包含足够的I/O、存取控制、加密程序等信息，这些在非破坏性攻击中尤为重要。因此，对于使用微处理器的RFID设计，推荐优先使用FLASH或EEPROM等非易失性存储器存放程序。

(2)存储器读出技术

对于存放密钥、用户数据等重要内容的非易失性存储器，它们不能通过简单的光学照片获得其中的信息。在安全认证过程中，至少访问这些数据区一次，因此，可以使用微探针监听总线上的信号获取重要数据。对于良好的设计，简单重复认证还不足以访问存储器所有的关键位置。

在使用带微处理器的RFID中，还需要考虑软件设计人员为提高代码效率滥用CPU部件(如地址计数器)的行为所导致的安全问题。程序计数器在每个指令周期都自动增量，如果被用于存储器读写的地址发生器，攻击中只需防止处理器执行JUMP、CALL和RETURN等指令扰乱正常的读顺序即可。即稍微用激光切断一些电路连接，改动指令译码器、程序计数器电路即可实现完全访问存储器的目的。

2.非破坏性攻击及其防范

(1)电流分析攻击

原则上，RFID的电源是集成在AFE的内部，似乎远离了电流分析的危险，然而实际上并非如此。

通过在RFID天线和串联的分压电阻两端直接加载符合规格的交流信号，RFID负载反馈信号可以百倍于无线模式下的信号强度直接叠加在加载的交流信号上。由于芯片的功耗变化与负载调制在本质上是相同的，因此，如果AFE的电源设计不恰当，RFID微处理执行不同内部处理的状态可能在串联电阻的两端交流信号上反映出来。

对于PFID而言，功耗是芯片设计过程中关心的重要问题，串联方案的效率更高，更适合集成电路设计。但是就安全而言，并联方案是更理想的选择；通过并联泄放电路将电源幅度和纹波的变化控制在尽可能小的范围内，使电源电流消耗波动抑制在整流电路之后。这样天线两端的交流信号不能反应任何内部基带系统(主要是微处理器)状态的差异。

(2)故障攻击

大多数RFID的时钟、电源都是使用天线的交流信号整形得到的，因此通过改变交流信号谐波的幅度、对称性、频率等参数可以实施时钟？电源故障攻击。借助于RFID接触测试设备中的数字直接合成交流信号技术，很容易产生时钟-电源故障攻击所需的波形。
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　　RFID产品为了有效抵御时钟故障攻击。除了采用时钟探测器以外，更重要的是严格限制RFID设计的工作频率范围、载频的谐波品质因素、对称性等指标。因此，从安全角度来说，并非RFID对机具适应能力越强越好。

三、实际应用

根据RFID系统完成的功能不同，可以粗略地把RFID系统分成四种类型：EAS系统、便携式数据采集系统、网络系统、定位系统。

1)EAS技术

ELECTRONIC ARTICLE SURVEIL-LANCE(EAS)是一种设置在需要控制物品出入的门口的RFID技术。这种技术的典型应用场合是商店、图书馆、数据中心等地方，当未被授权的人从这些地方非法取走物品时，EAS系统会发出警告。在应用EAS技术时，首先在物品上粘付EAS标签，当物品被正常购买或者合法移出时，在结算处通过一定的装置使EAS标签失活，物品就可以取走。物品经过装有EAS系统的门口时，EAS装置能自动检测标签的活动性，发现活动性标签EAS系统会发出警告。EAS技术的应用可以有效防止物品的被盗，不管是大件的商品，还是很小的物品。应用EAS技术，物品不用再锁在玻璃橱柜里，可以让顾客自由地观看、检查商品，这在自选日益流行的今天有着非常重要的现实意义。

EAS系统的工作原理是：在监视区，发射器以一定的频率向接收器发射信号。发射器与接受器一般安装在零售店、图书馆的出入口，形成一定的监视空间。当具有特殊特征的标签进入该区域时，会对发射器发出的信号产生干扰，这种干扰信号也会被接收器接收，再经过微处理器的分析判断，就会控制警报器的鸣响。根据发射器所发出的信号不同以及标签对信号干扰原理不同，EAS可以分成许多种类型。关于EAS技术最新的研究方向是标签的制作，人们正在讨论EAS标签能不能象条码一样，在产品的制作或包装过程中加进产品，成为产品的一部分。

2)便携式数据采集系统

便携式数据采集系统是使用带有RFID阅读器的手持式数据采集器采集RFID标签上的数据。这种系统具有比较大的灵活性，适用于不宜安装固定式RFID系统的应用环境。手持式阅读器(数据输入终端)可以在读取数据的同时，通过无线电波数据传输方式(RFDC)实时地向主计算机系统传输数据，也可以暂时将数据存储在阅读器中，在一批一批地向主计算机系统传输数据。

3)物流控制系统

在物流控制系统中，固定布置的RFID阅读器分散布置在给定的区域，并且阅读器直接与数据管理信息系统相连，信号发射机是移动的，一般安装在移动的物体、人上面。当物体、人流经阅读器时，阅读器会自动扫描标签上的信息并把数据信息输入数据管理信息系统存储、分析、处理，达到控制物流的目的。

4)定位系统

定位系统用于自动化加工系统中的定位以及对车辆、轮船等进行运行定位支持。阅读器放置在移动的车辆、轮船上或者自动化流水线中移动的物料、半成品、成品上，信号发射机嵌入到操作环境的地表下面。信号发射机上存储有位置识别信息，阅读器一般通过无线的方式或者有线的方式连接到主信息管理系统。

四、总结

RFID技术的应用日益深入到生活的各个方面，该技术在带来方便的同时，也引入了一些新的问题，比如隐私保护、天线的磁辐射、信息的安全传输等等。笔者相信，随着技术的进步，RFID将会更加完善。