RFID系統(tǒng)安全分析

　　無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)與條形碼技術(shù)等識(shí)別技術(shù)相比，具有防水防磁、讀取距離遠(yuǎn)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)多、數(shù)據(jù)可加密等優(yōu)點(diǎn)，目前己被廣泛應(yīng)用于交通、物流、醫(yī)療、食品安全等領(lǐng)域。但作為物聯(lián)網(wǎng)重要的感知設(shè)備因其缺乏有效的安全機(jī)制，影響到物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與推廣。從物理安全、通信安全和信息安全三個(gè)角度分析 RFID系統(tǒng)安全問(wèn)題及其解決方法。

　　0 引言

　　目前，物聯(lián)網(wǎng)逐步被人們廣泛地應(yīng)用，它可以將人們和身邊無(wú)數(shù)物品聯(lián)系起來(lái)，使物品成為網(wǎng)絡(luò)中用戶的一分子，并給人們帶來(lái)諸多便利。但是，在享受物聯(lián)網(wǎng)帶給人類便利的同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)在信息安全方面也亟待解決，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全是物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的必要條件，也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)成熟的重要標(biāo)志［1］。

　　作為物聯(lián)網(wǎng)感知層重要設(shè)備之一的RFID技術(shù)因其具有防水防磁、讀取距離遠(yuǎn)、讀取速度快、存儲(chǔ)容量大且數(shù)據(jù)可加密、搞污染能力和耐久性、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于交通、物流、醫(yī)療、食品安全、零售、制造、海關(guān)、安檢、機(jī)場(chǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域，可見(jiàn)，RFID系統(tǒng)安全直接關(guān)系到物聯(lián)網(wǎng)安全和應(yīng)用的推廣。另外標(biāo)簽信息泄露，如護(hù)照、身份證、處方等都會(huì)侵犯?jìng)€(gè)人隱私，因此，RFID系統(tǒng)的安全一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　最基本的RFID 系統(tǒng)主要由下面三部分組成：

　?。?）標(biāo)簽：又稱電子標(biāo)簽、智能卡、識(shí)別卡或標(biāo)識(shí)卡，由嵌入式微處理器及其軟件、卡內(nèi)發(fā)射與接收天線、收發(fā)電路組成。標(biāo)簽為信息載體，含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進(jìn)行通信。

　?。?）閱讀器：讀取／寫(xiě)入標(biāo)簽信息的設(shè)備。

　?。?）后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)：用于存儲(chǔ)標(biāo)簽標(biāo)識(shí)所對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)

　　一般情況下，閱讀器和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的通信可以認(rèn)為是安全可靠的。關(guān)鍵是標(biāo)簽、讀寫(xiě)器安全，因此，我們把RFID系統(tǒng)安全問(wèn)題主要分為：物理安全、通信安全、信息安全三個(gè)方面。

　　1 RFID物理安全

　　RFID讀寫(xiě)器偽造是RFID系統(tǒng)面臨的一大威脅。RFID讀寫(xiě)器與主機(jī)之間的通信可以采用傳統(tǒng)的攻擊方法截獲， RFID讀寫(xiě)器自然也是攻擊者要攻擊的對(duì)象。

　　電子標(biāo)簽偽造是RFID系統(tǒng)面臨的另一大威脅。如果不法分子能夠輕易地偽造電子標(biāo)簽就意味著能夠篡改商品或人員的身份，輕而易舉地破壞RFID系統(tǒng)的信用。比如在RFID的商品防偽應(yīng)用領(lǐng)域，能夠非法偽造RFID意味著防偽系統(tǒng)的失敗，目前防止偽造的主要對(duì)策是通過(guò)ID加密、特殊加工等方法提高偽造的成本。另外，為防止RFID的重復(fù)利用，采用特殊工藝把RFID牢固地固定在物品的開(kāi)啟之處，一旦物品開(kāi)啟標(biāo)簽就損壞，不能再利用。比如酒的防偽應(yīng)用中，RFID內(nèi)嵌在木塞里，只要開(kāi)啟木塞，里面的RFID就遭破壞，無(wú)法再利用。

　　RFID碰撞影響RFID系統(tǒng)正常運(yùn)行。隨著RFID技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)入識(shí)別區(qū)域和信號(hào)互相干擾在很多情況是不可避免，RFID沖突問(wèn)題也越發(fā)突出。RFID系統(tǒng)沖突主要有標(biāo)簽沖突和讀寫(xiě)器沖突。

　?。?）標(biāo)簽沖突。在RFID系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)入到一個(gè)讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)區(qū)域時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沖突，沖突會(huì)導(dǎo)致誤讀、漏讀。如圖1所示，沖突還會(huì)導(dǎo)致讀寫(xiě)器讀取數(shù)據(jù)效率大大的降低，最后導(dǎo)致一些標(biāo)簽在讀寫(xiě)器區(qū)域無(wú)法被識(shí)別。

　?。?）讀寫(xiě)器與讀寫(xiě)器間沖突。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)讀寫(xiě)器距離很近時(shí)，一個(gè)讀寫(xiě)器會(huì)受到另外一個(gè)讀寫(xiě)器的信號(hào)干擾。當(dāng)其中一個(gè)讀寫(xiě)器被其他讀寫(xiě)器干擾時(shí)，讀寫(xiě)器讀取數(shù)據(jù)的效率會(huì)降低，或者出現(xiàn)誤讀，如圖2所示。

　?。?）讀寫(xiě)器與標(biāo)簽沖突。在讀寫(xiě)器網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)處于兩個(gè)或多個(gè)讀寫(xiě)器的讀取范圍內(nèi)的話，也會(huì)出現(xiàn)讀寫(xiě)器沖突的情況。如圖3所示有一個(gè)標(biāo)簽在讀寫(xiě)器1與讀寫(xiě)器2都可以讀取的區(qū)域內(nèi)，該標(biāo)簽會(huì)被讀寫(xiě)器1和讀寫(xiě)器2重復(fù)讀取，或者標(biāo)簽無(wú)法決定發(fā)送信號(hào)給哪個(gè)讀寫(xiě)器，從而導(dǎo)致讀寫(xiě)器效率的降低，讀取數(shù)據(jù)混亂。

　　目前，多讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽的干擾問(wèn)題主要由標(biāo)簽自身的抗干擾能力來(lái)解決。對(duì)讀寫(xiě)器碰撞問(wèn)題，人們首先考慮在工程安裝時(shí)按讀寫(xiě)器可識(shí)讀范圍不重疊的原則來(lái)安裝，但因RFID讀寫(xiě)器具有很高的靈敏度，它甚至可以接受空間里的1個(gè)納瓦的能量，因此讀寫(xiě)范圍不重疊的相距較遠(yuǎn)的讀寫(xiě)器之間也會(huì)發(fā)生讀寫(xiě)器碰撞的問(wèn)題。目前，針對(duì)多讀寫(xiě)器碰撞問(wèn)題的解決方法有時(shí)隙分配、信道分配、載波偵聽(tīng)、功率控制等方法。

　　2 RFID通信安全

　　RFID使用的是無(wú)線通信信道，這就給非法用戶的攻擊帶來(lái)了方便。攻擊者可以非法截取通信數(shù)據(jù)；可以通過(guò)發(fā)射干擾信號(hào)來(lái)堵塞通信鏈路，使得讀寫(xiě)器過(guò)載，無(wú)法接收正常的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，制造DoS攻擊；可以冒名頂替向RFID發(fā)送數(shù)據(jù)，篡改或偽造數(shù)據(jù)。

　?。?）使用加密手段保證數(shù)據(jù)安全。由于RFID標(biāo)簽的使用數(shù)量大、范圍廣，必須將其造價(jià)控制在比較低廉的水平，這使得RFID標(biāo)簽通常只能擁有大約 5 000－10 000個(gè)邏輯門(mén)，而且這些邏輯門(mén)主要用于實(shí)現(xiàn)一些最基本的標(biāo)簽功能，僅剩少許可用于實(shí)現(xiàn)安全功能。但AES（advanced encryption standard）算法需要大約20 000個(gè)-30 000個(gè)邏輯門(mén)，RSA、橢圓曲線密碼等公鑰密碼算法則需要更多的邏輯門(mén)。因此，文獻(xiàn)［4］提出了在RFID標(biāo)簽芯片計(jì)算資源有限的情況下解決這些問(wèn)題的一個(gè)安全通信協(xié)議。該協(xié)議利用Hash函數(shù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了防止消息泄漏、偽裝、定位跟蹤等安全攻擊，因在目前已有的技術(shù)和芯片制造水平，在tag標(biāo)簽芯片中實(shí)現(xiàn)SHA－l等成熟Hash算法大約需要3 000個(gè)-4 000個(gè)邏輯門(mén)，基于Hash函數(shù)的安全通信協(xié)議，用于保證tag和reader之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕瑫r(shí)防止在傳輸時(shí)泄漏tag所攜帶的個(gè)人信息和位置信息。

　　（2）Gen-2認(rèn)證協(xié)議提高安全性。針對(duì)RFID系統(tǒng)的Gen-2類標(biāo)簽容量有限，僅支持單片16 bit偽隨機(jī)數(shù)發(fā)成器（PRNG）和用于數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中探測(cè)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余碼（CRC）校驗(yàn)的特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的安全算法，文獻(xiàn)［5］克服使用Hash 函數(shù)增加標(biāo)簽設(shè)計(jì)成本的弱點(diǎn)，提出了一種基于Gen-2標(biāo)簽的RFID認(rèn)證協(xié)議，選擇基于異或的方法，將標(biāo)簽32位ID號(hào)分為低16位和高16位，利用標(biāo)簽的CRC-16位生成相應(yīng)校驗(yàn)碼作為密文傳輸。該協(xié)議解決了已有協(xié)議在信息保密性、不可跟蹤性、前向安全性、Tag反克隆性、不可重放性五個(gè)方面安全性的問(wèn)題，提高了數(shù)據(jù)庫(kù)查詢速度、降低了RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)成本。

　?。?）非法截取讀寫(xiě)器的無(wú)線信號(hào)。讀寫(xiě)器的輸出功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)源電子標(biāo)簽，因此讀寫(xiě)器的電波傳送距離要比無(wú)源電子標(biāo)簽遠(yuǎn)得多，比如超高頻的讀寫(xiě)器和無(wú)源電子標(biāo)簽的最大通信距離大約是5米，這主要是受電子標(biāo)簽的功率和天線尺寸的限制，而讀寫(xiě)器本身的電波可以傳播到很遠(yuǎn)的地方。如果有人在離讀寫(xiě)器較遠(yuǎn)的地方架設(shè)天線截取讀寫(xiě)器的電波信號(hào)，就很難被人察覺(jué)。通過(guò)截收讀寫(xiě)器發(fā)射的電波來(lái)獲取信息是一件非常專業(yè)的工作，需要非常大的成本投入，一般的RFID 系統(tǒng)并沒(méi)有必要考慮這種信息泄露風(fēng)險(xiǎn)，但對(duì)一些機(jī)密性非常大的信息需要考慮防范措施，比如用吸波材料封閉讀寫(xiě)器作業(yè)空間，適當(dāng)調(diào)小讀寫(xiě)器的輸出功率。

　　3 RFID數(shù)據(jù)安全

　　RFID系統(tǒng)中最主要的安全風(fēng)險(xiǎn)是“數(shù)據(jù)保密性”。信息泄露是指暴露標(biāo)簽發(fā)送信息，這個(gè)信息包括標(biāo)簽用戶或識(shí)別對(duì)象的相關(guān)信息。如RFID設(shè)備管理信息是公開(kāi)的，但當(dāng)電子標(biāo)簽應(yīng)用于藥品時(shí)，很可能暴露藥物使用者的病理。當(dāng)個(gè)人信息如電子檔案、生物特征添加到電子標(biāo)簽中時(shí)，標(biāo)簽信息泄露問(wèn)題便極大地危害了個(gè)人隱私。美國(guó)于2005年8月在入境護(hù)照裝備電子標(biāo)簽的計(jì)劃因考慮到信息泄露的安全問(wèn)題已經(jīng)被推遲。

　?。?）竊取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)。電子標(biāo)簽可能含有企業(yè)關(guān)鍵信息或個(gè)人隱私信息，比如產(chǎn)品的生產(chǎn)批次、生產(chǎn)數(shù)量、個(gè)人身份、購(gòu)物習(xí)慣等，如果這些電子標(biāo)簽被盜，意味著企業(yè)內(nèi)部信息或個(gè)人隱私信息被泄露。為了防止數(shù)據(jù)的被竊，可采用以下兩種方法：（1）數(shù)據(jù)加密。（2）電子標(biāo)簽不存敏感數(shù)據(jù)，只存無(wú)特殊意義的 ID信息，關(guān)鍵數(shù)據(jù)分散在各個(gè)服務(wù)器中。

　　（2）篡改電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)。如果巧妙地篡改電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，可能造成非法物品或數(shù)據(jù)容易混入整體業(yè)務(wù)系統(tǒng)，最終破壞業(yè)務(wù)的運(yùn)行。防止數(shù)據(jù)被篡改的主要方法有：（1）限制存儲(chǔ)器的寫(xiě)入次數(shù)。如果標(biāo)簽在業(yè)務(wù)整體流程中數(shù)據(jù)不需要改變，就可以采用只讀標(biāo)簽或一次性讀寫(xiě)標(biāo)簽。切斷了篡改數(shù)據(jù)的物理手段。（2） 限制存儲(chǔ)器的可寫(xiě)區(qū)域。提前把存儲(chǔ)器的區(qū)域分割成可寫(xiě)區(qū)域和不可寫(xiě)區(qū)域，把關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如標(biāo)簽ID）放進(jìn)不可寫(xiě)區(qū)域，可以防止關(guān)鍵數(shù)據(jù)的篡改。（3）密碼保護(hù)。預(yù)先設(shè)定密碼來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)，每個(gè)標(biāo)簽的密碼不一樣，需要增加密碼管理成本。（4）變更存儲(chǔ)器區(qū)域讀寫(xiě)屬性。對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)區(qū)域或全體區(qū)域設(shè)置只讀屬性就可以防止篡改。四個(gè)措施可以根據(jù)成本要求單獨(dú)使用，也可以復(fù)合使用。

　?。?）往電子標(biāo)簽植入病毒。電子標(biāo)簽由于存儲(chǔ)量很小，且存儲(chǔ)的是數(shù)據(jù)而不是執(zhí)行代碼、很難把病毒本身寫(xiě)進(jìn)標(biāo)簽本體中，但是篡改存儲(chǔ)器中的參數(shù)變量（比如數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等）擾亂系統(tǒng)處理的可能性大，如果在中間件、服務(wù)器軟件方面進(jìn)行嚴(yán)格的排錯(cuò)處理，可以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。目前還沒(méi)有有關(guān)電子標(biāo)簽內(nèi)植入病毒，引起系統(tǒng)崩潰的實(shí)際案例的報(bào)道，成品電子標(biāo)簽也沒(méi)有防病毒的措施，但隨著電子標(biāo)簽的大容量、高智能化的發(fā)展，今后需要研究病毒的寄生機(jī)制和防范措施。

　?。?）泄露電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)格式。電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)格式需要對(duì)外保密，如果這些數(shù)據(jù)被泄露，不法分子就很容易進(jìn)行標(biāo)簽的偽造和篡改。有些重要的數(shù)據(jù)要進(jìn)行分散管理，即不能把所有數(shù)據(jù)集中到一個(gè)人身上，以防一旦那個(gè)人出事，所有的數(shù)據(jù)暴露無(wú)遺。要對(duì)標(biāo)簽的制作進(jìn)行嚴(yán)格的管理，比如設(shè)門(mén)禁系統(tǒng)，安裝計(jì)算機(jī)操作記錄追查系統(tǒng)等。

　　針對(duì)用戶個(gè)人信息和隱私問(wèn)題日益突出，考慮到基于公鑰加密的RFID認(rèn)證協(xié)議相對(duì)基于哈希函數(shù)和基于對(duì)稱密鑰加密的RFID認(rèn)證協(xié)議，有較好的安全性，文獻(xiàn)［6］借助效率較高的公鑰加密算法NTRU （Number Theory Research Unit），開(kāi)發(fā)出一種新的RFID協(xié)議，為RFID系統(tǒng)提供更好的安全性，能為用戶提供更好的隱私保護(hù)，表1顯示出文獻(xiàn)［6］比文獻(xiàn)［7-9］的性能要好。

　　表1 RFID認(rèn)證協(xié)議的安全性對(duì)比表

　　文獻(xiàn)［11］利用混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌序列對(duì)RFID系統(tǒng)中閱讀器與標(biāo)簽之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行了加密，并建立了一個(gè)基于混沌加密技術(shù)的RFID系統(tǒng)安全模型。

　　為了解決克隆攻擊、重傳攻擊、標(biāo)簽跟蹤等幾種常見(jiàn)的RFID安全問(wèn)題，文獻(xiàn)［12］在分析單證明者交互模型的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的、安全性更好的、適用于RFID的多證明者交互證明模型，并在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了一個(gè)適用于分布式RFID環(huán)境的基于橢圓曲線門(mén)限秘密共享方案的RFID安全協(xié)議。

　　由于碼分多址技術(shù)具有很好的保密性、抗干擾性和多址通信能力，文獻(xiàn)［13］運(yùn)用認(rèn)證密鑰和Hash函數(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于碼分多址技術(shù)的RFID系統(tǒng)安全認(rèn)證協(xié)議，不僅能有效地解決標(biāo)簽的碰撞問(wèn)題，而且可抵抗包括重傳、跟蹤、阻斷和篡改在內(nèi)的多種攻擊手段。

　　4 結(jié)論

　　由于RFID技術(shù)進(jìn)步和成本的迅速下降，RFID系統(tǒng)已被各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但RFID日益突出的安全問(wèn)題影響到RFID的進(jìn)一步應(yīng)用。為此，本文分析了 RFID系統(tǒng)安全存在的問(wèn)題和解決對(duì)策，我們有理由相信，從RFID技術(shù)、RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)、加密技術(shù)和安全意識(shí)、安全管理等多種手段入手，RFID安全問(wèn)題一定能得到解決。