符合第二代标准的无线射频识别安全协议研究

论文摘要

无线射频识别(简称RFID)技术是从上世纪六七十年代兴起的一项非接触式自动识别技术。现已进入实用化的节段,并广泛的应用于工业生产和日常生活的各个方面。该技术的应用提高了生产管理效率,但是,其应用中还存在很多问题:标签成本过高,安全机制强度不够,标准不统一。针对这一系列的问题,国际标准化组织EPCglobal推出了第二代RFID技术标准,该标准主要针对物流应用中的低级标签。鉴于其优越性基于第二代RFID标准的系统应用正一步步取代第一代,但就这方面的安全问题的研究还十分稀少。为了大规模的应用RFID技术,尽早的实现“物联网”,开发安全、高效、低成本且符合第二代标准的安全协议有着十分重要的意义。本文首先介绍了RFID系统的结构、EPC与物联网及RFID的技术标准,研究了RFID系统可能存在的安全和隐私问题,并指出了RFID系统应该遵循的安全原则。然后对目前比较典型的安全机制进行了分析,特别是对基于密码协议的安全机制进行了详细的分析和评估,指出这些安全协议存在的优点和不足之处。在现有RFID安全协议的基础上,特别是在Duc等人提出的符合第二代标准的安全协议的基础上,本文设计了一种Duc协议的改进协议——基于密钥同步更新的符合EPC C1G2标准的RFID安全协议。该协议中提出了一种解决Duc等人的方案中密钥更新不同步的问题的方法,这也是很多协议想动态改变密钥却一直没有实现的问题。密钥同步更新问题的解决从而解决了由此而引发的一系列安全问题:非授权访问、重放攻击、Dos攻击等。另外,本协议提出了使用双随机数来保证消息的新鲜性;同时还对发往标签和数据库的消息采用了上下行密钥加密的方法。该两种加密方法的结合使用进一步提高了系统的安全性。最后,本文利用数值实验分析了通信过程受到攻击后双方密钥的变化情况,验证了密钥同步更新能够得以实现。并分析了改进后的协议的抗攻击能力和实施成本上的可行性。重点用BAN逻辑对协议的安全性进行了形式化的分析。通过跟踪通信过程,利用逻辑规则从初化条件能够推导到最终的安全目标,表明了该协议的安全性可以得到保证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 本研究课题的来源
• 1.2 本文研究的背景及意义
• 1.3 RFID 系统安全机制的特点与研究现状
• 1.4 本文的研究工作及章节安排
• 第2章 RFID 系统基础知识
• 2.1 RFID 系统的组成及工作原理
• 2.1.1 电子标签
• 2.1.2 RFID 阅读器
• 2.1.3 后台管理系统
• 2.1.4 RFID 基本工作原理
• 2.2 EPC 网络系统
• 2.2.1 EPC 网络系统介绍
• 2.2.2 EPC 系统的特点
• 2.2.3 产品电子码（EPC）
• 2.3 EPC C1G2 标签标准
• 2.3.1 EPC C1G2 的发展简述
• 2.3.2 EPC C1G2 标准的要点
• 2.3.3 EPC C1G2 的优越性
• 2.4 小结
• 第3章 RFID 系统的安全问题分析
• 3.1 RFID 系统的安全需求分析
• 3.2 RFID 系统常见的安全攻击
• 3.3 RFID 系统典型的安全机制分析
• 3.4 小结
• 第4章 密钥同步更新的双向认证协议设计
• 4.1 第二代标准对安全协议的要求
• 4.2 Duc 等人的设计方案
• 4.3 基于密钥同步更新的双向认证协议
• 4.3.1 认证算法
• 4.3.2 关于协议中的伪随机函数
• 4.3.3 关于协议中的循环冗余码（CRC）
• 4.3.4 密钥更新的数值实验
• 4.4 小结
• 第5章 密钥同步更新的双向认证协议分析
• 5.1 协议安全性的理论分析
• 5.2 协议的可行性分析
• 5.3 使用BAN 逻辑对协议进行形式化分析
• 5.3.1 安全协议的形式化分析及BAN 逻辑简介
• 5.3.2 用BAN 逻辑分析协议的安全性
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表的论文
• 致谢