- 易迪拓培训,专注于微波、射频、天线设计工程师的培养
书馆RFID安全认证协议设计
录入：edatop.com 点击：
1 引言
射频识别(RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID可广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、图书管理系统等众多领域被列为本世纪十大重要技术之一。
RFID 技术在图书馆领域的应用实践正在蓬勃发展之中：Molnar 2004年指出北美有超过130家图书馆使用RFID系统。在国内，厦门集美大学诚毅学院于2006年2月率先成为国内第一家使用RFID馆藏管理系统的图书馆；随后深圳图书馆新馆也选择RFID系统作为图书馆服务体系改进的技术手段．接着，武汉图书馆成为第三家研发并全线使用RFID智能馆藏管理系统的图书馆。
保密和鉴别等安全问题是当前RFID 技术的研究热点，而且不同的应用领域对RFID安全性的要求也不尽相同。为了保障图书馆应用环境下RFID 系统的安全性，有必要对安全需求进行系统的研究，并提出安全的解决办法。
本文将针对RFID 技术在图书馆文献管理中的应用，来探讨其认证协议问题。本文首先分析了RFID系统的组成结构及安全协认证议研究现状，在构建了图书馆RFID系统安全模型的基础上，设计了一个保证图书馆RFID 系统安全通信的认证协议：PA-Lock协议，最后，对该PA—LOCK协议进行了安全性能分析并与其他协议做了比较。
2 RFID系统构成及安全协议现状
本部分简要介绍RFID系统的基本组成结构、通信模型和安全协议的研究现状。
2．1 RFID系统组成
RFID系统一般由三大部分组成：RFID标签(tag)、RFID读写器(reader)和后端数据库(database，后端服务器)，如图1所示。
2)RFID 读写器：由射频接口和控制单元组成，其计算能力和存储能力都比较大，RFID读写器通过射频接口来获取标签中的数据，并将其传递给后端数据库。RFID读写器和标签之间的信道是不安全信道。
3)RFID后端数据库：接收来自RFID读写器的数据，存储有标签的信息或关联信息，RFID读写器和后端数据库之间是安全信道。
2．2 RFID 安全认证协议研究现状
RFID技术的无线传输、信号广播以及标签只具有很弱的计算能力等特征对RFID 系统安全机制的设计提出了特殊的要求，设计安全、高效、低成本的RFID协议一直是一个具有挑战性的课题。
使用密码学方法来设计RFID 安全认证协议是一种主要的研究方法。迄今为止，已经有许多RFID 安全认证协议被提出。这些协议大致可以分为两类：一类是从协议的通用安全性方面着手设计， 如Hash-Lock协议、Hash链协议、基于杂凑的ID变化协议等，这些认证协议主要解决在标签识别过程中的安全问题，如保密性、信息泄露、和不可追踪性等：另一类是从应用领域的特殊性方面来着手设计RFID安全认证协议。通过详细分析应用的特性过程，对RFID 安全问题作针对性的设计，使之满足该应用领域的需求，如供应链环境下通用可组合安全的RFID通信协议，该协议就是通过对供应链管理领域中RFI D技术的安全机制进行深入的研究，从而设计出具有应用针对性的RFID安全认证协议。
与其他特定的RFID 应用领域一样，图书馆文献资源管理领域的特点也对RFID安全协议提出了特殊的需求。其特点主要表现在以下几个方面：
1)图书在整个流通期间具有两个状态：在馆典藏状态和外借状态。图书管理中对不同状态的图书具有不同的约束规则，如对于在馆典藏状态的图书则不允许被带出图书馆，而对于外借状态的图书则可以自由出入图书馆。
2)图书的状态变化具有周期性。每本图书从在馆典藏状态开始，经外借状态再回到在馆典藏状态，周而复始，循环变化。
3)图书管理需要对图书进行实时跟踪、状态定位以及统计分析。分析图书的使用状况及利用率。目前，还没有针对图书馆文献资源管理中RFID安全机制的深入研究成果。本文的重点是针对图书馆文献资源管理中的各种主要流程，分析设计出对RFID标签认证识别的安全认证协议，保证只有授权用户才能够识别特定标签，同时攻击者无法对这些标签进行跟踪。
3 图书馆RFID安全需求建模
设计RFID安全认证协议的一个重要前提就是需要定义RFID 系统的安全模型。安全模型又与系统的实际应用场景有着密切的联系。因此，在设计图书馆RFID系统安全认证协议之前，首先要详细分析图书馆RFID系统的应用模型、主要的安全威胁以及系统的安全需求等问题。
3．1图书馆RFID系统模型
通常情况下，图书馆RFID 系统有标签、读写器和后台数据库三部分组成。由于读写器和后台数据库之间是安全信道，所以，我们在设计安全协议时，把这两部分作为一个整体来考虑，因此，主要关心读写器和标签两部分。对于标签，我们假设既有鉴定合法的标签，也有恶意的标签。而读写器主要有四类：标签转换器、排架器、自助借还机和安全检测门。标签转换器主要用于实现从条码到RFID 的快速转换，负责相关信息的写入操作。排架器通过对图书RFID标签进行扫描，结合层位标签进行定位盘点，需要获取的信息量较少。自助借还机对RFID 实施扫描，对图书进行借还处理，还需要连接访问后台数据库。安全检测门对图书进行识别，判定图书是否处于借阅状态。
在图书馆中使用的RFID标签主要是工作频率为1 3．56MHZ的被动式标签。这种标签存储容量小，只能存储书名、书架号等少量图书信息；同时标签的计算能力也很弱，只能进行两个数比较大小、执行hash散列、产生随机数、检索自身的信息等简单功能，这些功能在Class 1 Generation 2标准的标签上容易实现。
3．2主要的安全威胁
结合图书馆RFID 系统应用模型的特征，可以做出以下重要假设：
假设：在图书馆内部发生的读写器与标签之间的通信是安全的，可以采用明文传输；在图书馆外的通信存在安全威胁，需要采用保密和鉴别措施。
在此安全性假设的基础上，图书馆RFID 系统所面临的安全威胁主要包括以下几种：
1)攻击者作为一个正常的读写器具有扫描标签的能力。
2)攻击者具有克隆标签的能力，即改写标签的内容。
3．3协议安全性要求
本文提出的RFID 安全认证协议是基于一个状态锁(Lock)的实现通信保密(Privacy)与身份鉴别(Authentication)的认证协议： Privacy and Authentication protocol based on a Lock，简记PA-Lock协议。
安全认证协议PA-Lock试图满足两个要求：保密性和鉴别性。保密性要求每一个标签只能把保密信息发送给经过鉴别的读写器。鉴别性则要求标签和读写器之间能实现相互鉴别，即标签能够鉴别读写器、读写器也能够鉴别标签。此外，锁是一个图书状态位，表示图书处于借出或者在馆的状态。
保密性和鉴别性也将作为本文分析PA-Lock协议安全性能的两个指标，将在第5部分详细讨论。
4 PA-Lock协议描述
在PA-Lock协议中，RFID标签具有一个伪随机数发生器，具有hash计算及数值大小比较能力，所存储的数据包括四部分：(1)标签ID，此lD具有全球唯一性；(2)书目信息，包括图书条码号(图书的唯一识别)、书名、架位号等；(3)图书馆RFID系统的共享密钥k；(4)图书状态锁bit(0表示在馆状态、1表示借出状态)，在图书典藏时设置bit值为0。RFID读写器具有一个伪随机数发生器，能执行hash计算，能转发后台数据库和标签之间传输的数据。RFID后台数据库存储着标签ID与图书条码号之间的关联信息，能执行hash计算、快速查找等能力。在该协议中，当状态锁为0时，采用不需保密与鉴别的方式通信：当状态锁为1时，通过先对私密信息进行hash加密然后再传输的措施实现保密功能，读写器通过共享密钥k来鉴别标签，标签通过图书的条码号来鉴别读写器，从而实现读写器与标签的双向相互鉴别。PA—Lock协议中使用的参数如表1所示。
4．1排架
由于排架工作发生在图书馆预览室内部，有理由假设此时的通信是安全的，因此可以设计不需保密鉴别的认证协议，这样有利于提高通信效率。协议的执行过程如图2所示。
1、Tag读写器向Tag发送Query认证请求：
2、如果bit值为0，Tag将标签ID、图书名、书架号发送给Tag读写器。
射频识别(RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID可广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、图书管理系统等众多领域被列为本世纪十大重要技术之一。
RFID 技术在图书馆领域的应用实践正在蓬勃发展之中：Molnar 2004年指出北美有超过130家图书馆使用RFID系统。在国内，厦门集美大学诚毅学院于2006年2月率先成为国内第一家使用RFID馆藏管理系统的图书馆；随后深圳图书馆新馆也选择RFID系统作为图书馆服务体系改进的技术手段．接着，武汉图书馆成为第三家研发并全线使用RFID智能馆藏管理系统的图书馆。
保密和鉴别等安全问题是当前RFID 技术的研究热点，而且不同的应用领域对RFID安全性的要求也不尽相同。为了保障图书馆应用环境下RFID 系统的安全性，有必要对安全需求进行系统的研究，并提出安全的解决办法。
本文将针对RFID 技术在图书馆文献管理中的应用，来探讨其认证协议问题。本文首先分析了RFID系统的组成结构及安全协认证议研究现状，在构建了图书馆RFID系统安全模型的基础上，设计了一个保证图书馆RFID 系统安全通信的认证协议：PA-Lock协议，最后，对该PA—LOCK协议进行了安全性能分析并与其他协议做了比较。
2 RFID系统构成及安全协议现状
本部分简要介绍RFID系统的基本组成结构、通信模型和安全协议的研究现状。
2．1 RFID系统组成
RFID系统一般由三大部分组成：RFID标签(tag)、RFID读写器(reader)和后端数据库(database，后端服务器)，如图1所示。
2)RFID 读写器：由射频接口和控制单元组成，其计算能力和存储能力都比较大，RFID读写器通过射频接口来获取标签中的数据，并将其传递给后端数据库。RFID读写器和标签之间的信道是不安全信道。
3)RFID后端数据库：接收来自RFID读写器的数据，存储有标签的信息或关联信息，RFID读写器和后端数据库之间是安全信道。
2．2 RFID 安全认证协议研究现状
RFID技术的无线传输、信号广播以及标签只具有很弱的计算能力等特征对RFID 系统安全机制的设计提出了特殊的要求，设计安全、高效、低成本的RFID协议一直是一个具有挑战性的课题。
使用密码学方法来设计RFID 安全认证协议是一种主要的研究方法。迄今为止，已经有许多RFID 安全认证协议被提出。这些协议大致可以分为两类：一类是从协议的通用安全性方面着手设计， 如Hash-Lock协议、Hash链协议、基于杂凑的ID变化协议等，这些认证协议主要解决在标签识别过程中的安全问题，如保密性、信息泄露、和不可追踪性等：另一类是从应用领域的特殊性方面来着手设计RFID安全认证协议。通过详细分析应用的特性过程，对RFID 安全问题作针对性的设计，使之满足该应用领域的需求，如供应链环境下通用可组合安全的RFID通信协议，该协议就是通过对供应链管理领域中RFI D技术的安全机制进行深入的研究，从而设计出具有应用针对性的RFID安全认证协议。
与其他特定的RFID 应用领域一样，图书馆文献资源管理领域的特点也对RFID安全协议提出了特殊的需求。其特点主要表现在以下几个方面：
1)图书在整个流通期间具有两个状态：在馆典藏状态和外借状态。图书管理中对不同状态的图书具有不同的约束规则，如对于在馆典藏状态的图书则不允许被带出图书馆，而对于外借状态的图书则可以自由出入图书馆。
2)图书的状态变化具有周期性。每本图书从在馆典藏状态开始，经外借状态再回到在馆典藏状态，周而复始，循环变化。
3)图书管理需要对图书进行实时跟踪、状态定位以及统计分析。分析图书的使用状况及利用率。目前，还没有针对图书馆文献资源管理中RFID安全机制的深入研究成果。本文的重点是针对图书馆文献资源管理中的各种主要流程，分析设计出对RFID标签认证识别的安全认证协议，保证只有授权用户才能够识别特定标签，同时攻击者无法对这些标签进行跟踪。
3 图书馆RFID安全需求建模
设计RFID安全认证协议的一个重要前提就是需要定义RFID 系统的安全模型。安全模型又与系统的实际应用场景有着密切的联系。因此，在设计图书馆RFID系统安全认证协议之前，首先要详细分析图书馆RFID系统的应用模型、主要的安全威胁以及系统的安全需求等问题。
3．1图书馆RFID系统模型
通常情况下，图书馆RFID 系统有标签、读写器和后台数据库三部分组成。由于读写器和后台数据库之间是安全信道，所以，我们在设计安全协议时，把这两部分作为一个整体来考虑，因此，主要关心读写器和标签两部分。对于标签，我们假设既有鉴定合法的标签，也有恶意的标签。而读写器主要有四类：标签转换器、排架器、自助借还机和安全检测门。标签转换器主要用于实现从条码到RFID 的快速转换，负责相关信息的写入操作。排架器通过对图书RFID标签进行扫描，结合层位标签进行定位盘点，需要获取的信息量较少。自助借还机对RFID 实施扫描，对图书进行借还处理，还需要连接访问后台数据库。安全检测门对图书进行识别，判定图书是否处于借阅状态。
在图书馆中使用的RFID标签主要是工作频率为1 3．56MHZ的被动式标签。这种标签存储容量小，只能存储书名、书架号等少量图书信息；同时标签的计算能力也很弱，只能进行两个数比较大小、执行hash散列、产生随机数、检索自身的信息等简单功能，这些功能在Class 1 Generation 2标准的标签上容易实现。
3．2主要的安全威胁
结合图书馆RFID 系统应用模型的特征，可以做出以下重要假设：
假设：在图书馆内部发生的读写器与标签之间的通信是安全的，可以采用明文传输；在图书馆外的通信存在安全威胁，需要采用保密和鉴别措施。
在此安全性假设的基础上，图书馆RFID 系统所面临的安全威胁主要包括以下几种：
1)攻击者作为一个正常的读写器具有扫描标签的能力。
2)攻击者具有克隆标签的能力，即改写标签的内容。
3．3协议安全性要求
本文提出的RFID 安全认证协议是基于一个状态锁(Lock)的实现通信保密(Privacy)与身份鉴别(Authentication)的认证协议： Privacy and Authentication protocol based on a Lock，简记PA-Lock协议。
安全认证协议PA-Lock试图满足两个要求：保密性和鉴别性。保密性要求每一个标签只能把保密信息发送给经过鉴别的读写器。鉴别性则要求标签和读写器之间能实现相互鉴别，即标签能够鉴别读写器、读写器也能够鉴别标签。此外，锁是一个图书状态位，表示图书处于借出或者在馆的状态。
保密性和鉴别性也将作为本文分析PA-Lock协议安全性能的两个指标，将在第5部分详细讨论。
4 PA-Lock协议描述
在PA-Lock协议中，RFID标签具有一个伪随机数发生器，具有hash计算及数值大小比较能力，所存储的数据包括四部分：(1)标签ID，此lD具有全球唯一性；(2)书目信息，包括图书条码号(图书的唯一识别)、书名、架位号等；(3)图书馆RFID系统的共享密钥k；(4)图书状态锁bit(0表示在馆状态、1表示借出状态)，在图书典藏时设置bit值为0。RFID读写器具有一个伪随机数发生器，能执行hash计算，能转发后台数据库和标签之间传输的数据。RFID后台数据库存储着标签ID与图书条码号之间的关联信息，能执行hash计算、快速查找等能力。在该协议中，当状态锁为0时，采用不需保密与鉴别的方式通信：当状态锁为1时，通过先对私密信息进行hash加密然后再传输的措施实现保密功能，读写器通过共享密钥k来鉴别标签，标签通过图书的条码号来鉴别读写器，从而实现读写器与标签的双向相互鉴别。PA—Lock协议中使用的参数如表1所示。
4．1排架
由于排架工作发生在图书馆预览室内部，有理由假设此时的通信是安全的，因此可以设计不需保密鉴别的认证协议，这样有利于提高通信效率。协议的执行过程如图2所示。
1、Tag读写器向Tag发送Query认证请求：
2、如果bit值为0，Tag将标签ID、图书名、书架号发送给Tag读写器。
