一种改进的满足后向安全的RFID双向认证协议

1引言无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种利用射频信号实现的无接触信息传输，并且通过所传输的信息来达到识别的目的[1-3]。

由于RFID 技术是利用无线射频通道来交换数据的，因此很容易受到外部环境的干扰以及攻击者的恶意的攻击。

如果RFID 标签中存放的个人信息或者商业情报等一旦被恶意的攻击者非法获取，就会给使用者带来巨大的损失[4-6]。

许多基于伪随机数生成器的认证协议被提出，这类协议可以实现安全与隐私保护；同时一些基于位运算和HASH函数的轻量级RFID认证协议也被提出，但是这些协议都存在安全隐患或是认证效率低等问题。

比如：文献[7]中提出的认证方案不能抵抗去同步攻击，攻击者可以通过重放消息，使阅读器与标签两者之间的密钥一种改进的满足后向安全的RFID双向认证协议马远佳1，刘道微2MA Yuanjia1,LIU Daowei21.广东石油化工学院计算机与电子信息学院，广东茂名5250002.广东工业大学计算机学院，广州5100061.School of Computer and Electronic Information,Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming, Guangdong525000,China2.School of Computer Science and Technology,Guangdong University of Technology,Guangzhou510006,ChinaMA Yuanjia,LIU Daowei.Improved mutual authentication with backward security for RFID puter Engineering and Applications,2017,53（9）：136-140.Abstract：In the application of Internet of things,the existing RFID mutual authentication protocol exists the problems that authentication efficiency is low and it has security flaws,this paper proposes a RFID mutual authentication protocol that satisfies backward security,by Rabin operation of one-way encryption algorithm,to solve the problem of synchroniza-tion and later to the ing random number to keep the label information of freshness,BAN logic method is used to the formal agreement.This kind of agreement with the existing security authentication protocol security and cost compar-ison,the results show that this protocol not only prevents the tracking,resists brute force,prevents replay attack et al,butalso for reduction of gate,makes cost down,suitable for low-cost RFID system.Key words：Internet of things;Radio Frequency Identification（RFID）;Rabin algorithm;BAN formal analysis;mutual authentication摘要：针对在物联网应用中，现有的RFID双向认证协议存在认证效率低和安全隐患等问题，提出了一种满足后向安全的RFID双向认证协议，采用随机数使标签保持信息的新鲜性，从而实现标签与阅读器之间的双向认证；通过Rabin加密算法的运算单向性，来解决同步以及后向安全的问题；并采用BAN逻辑方法对协议进行了形式化证明。

该协议与现有的此类安全认证协议进行安全性和成本比较，结果表明该协议不仅具有防跟踪、抗暴力破解、防重放攻击等特点，而且还可以实现双向认证，同时因为门电路的减少，使得成本下降，适用于低成本的RFID系统。

关键词：物联网；射频识别；Rabin算法；BAN形式化分析；双向认证文献标志码：A中图分类号：TP393.08doi：10.3778/j.issn.1002-8331.1511-0077基金项目：广东省云机器人（石油化工）工程技术研究中心开放基金资助课题（No.201507B05）；广东省石化装备故障诊断重点实验室开放基金（No.772715）；广东省科研创强重点项目（No.2012B01040)；广东省科技计划项目（No.2014A020208139）。

作者简介：马远佳（1984—），男，讲师，研究领域为无线传感器网络与物联网，E-mail：mayuanjia@；刘道微（1989—），男，硕士研究生，研究领域为信息安全。

收稿日期：2015-11-05修回日期：2016-02-15文章编号：1002-8331（2017）09-0136-05CNKI网络优先出版：2016-03-02,/kcms/detail/11.2127.TP.20160302.1655.026.html不一致，从而破坏两者之间的后续认证；文献[8]中提出的认证方案其实质是一个搜索协议，并不能算一个双向认证协议；文献[9]中提出的认证方案不能抵抗主动攻击，攻击者通过不断地询问标签，来分析标签的回复信息，就可以完全推导出标签中存放的所有密钥信息；文献[10]中提出的认证方案不能提供向后的隐私安全性；文献[11]根据遗传算法的相关知识提出了交叉位运算，并结合XOR、Rot运算提出了CURAP协议，但是CURAP 在运算方面过于简单，安全性略显不足，同时该协议在每次认证完成之后，标签与读写器两者之间密钥的更新过程过于复杂且计算量相对较大；文献[12]中提出的方案不能抵抗暴力破解攻击，因为r1和r2采用明文传输，因此攻击者很容易获取r1和r2，采用穷举法可以推导出标签中存放的密钥信息。

在此基础之上，提出了一种改进的满足后向安全的基于Rabin加密算法的RFID双向认证协议。

协议在存储、计算需求以及门电路要求上要优于现有的方案，通过分析标签端实现功能所需的门电路数，并且采用BAN逻辑形式化方法对协议的安全性进行了证明，表明该协议是安全的，本文协议适用于低成本的RFID系统。

2改进的RFID认证协议文献[12]中所提出的认证协议存在暴力破解安全缺陷，因为标签产生的随机数r2与阅读器产生的随机数r1都是明文传输，且Hash函数算法是公开的，因此攻击者可以在阻断标签与阅读器通信的前提下，采用穷举法使用暴力破解手段来穷举出密钥Key的值，从而获取标签存放的信息；标签和阅读器两端都是采用随机数发生器来产生随机数，会导致门电路的增多，从而增加标签的成本；而Hash函数的使用，将进一步使门电路个数的增多，从而使得RFID标签成本提高。

针对上面存在的问题，提出一种改进的基于Rabin加密算法的RFID 双向认证协议，改进的协议中将阅读器与后端数据库看成一个整体，并且标签不再产生随机数，而是由阅读器来产生两个随机数r1和r2，协议中将使用异或运算来传输阅读器产生的两个随机数，从而可以抵抗存在的暴力破解攻击；用线性反馈移位寄存器LFSR来代替随机数发生器来产生随机数，LFSR的使用将会减少门电路的个数；用Rabin加密算法取代Hash函数加密，文献[13]提出的优化以后的Rabin加密算法实现所需要的门电路数要少于实现Hash函数所用的门电路个数，同时文献[14]证明了Rabin加密算法的安全性，也具有Hash函数计算单向性的特点，从而可以抵抗去同步攻击。

与其他认证协议一样，也作出如下假设：阅读器和标签之间共享的密钥KEY及ID是安全的。

协议中将阅读器与后端数据库看成一个整体，因此后端数据库中存放的信息，对于阅读器来说是可以随时访问和运用的。

本文协议认证过程包括初始化阶段和认证阶段。

2.1初始化阶段首先给出本协议中各符号的含义：R：阅读器；T：标签；KEY：阅读器和标签之间共享的密钥；ID：标签的唯一标识符（长度为2K位）；ID_L：标签ID的左半部分（左边的K位）；ID_R：标签ID的右半部分（右边的K位）；K_new：本次认证的共享密钥；K_old：上次认证的共享密钥；K：密钥的长度；M：模数，M=2K-1；R1和R2：阅读器产生的两个随机数（其中R1用来验证阅读器的真伪，R2用来验证标签的真伪）（长度都为K位）；⊕：异或运算；&：与运算。

2.2认证阶段RFID协议认证过程如图1所示。

对上面改进的协议中A,B,C,D的说明：A=ID_L⊕R1；B=ID_R⊕R2；C=[(KEY&R2&R1)2mod M]k表示取运算结果的前K位；D=[KEY2mod M]k&R2表示首先取[]运算结果的前K位，然后再与R2进行与运算。

整个协议的认证步骤描述如下：（1）首先阅读器分别产生两个都是K位数的随机数R1和R2，然后阅读器计算A和B的值，最后将A、B以及请求认证Query命令一并传给标签。

（2）标签接收到阅读器发送来的信息以后，标签首先取出自身储存的信息ID_L和ID_R，然后再计算ID_L⊕A、ID_R⊕B，从而可以得到随机数R1和R2，接着标签用得到的R1、R2以及KEY来计算C的值，最后将计算出来的C的结果传给阅读器。

（3）阅读器在接收到标签发来的信息以后，首先验证是否存在(ID_L,ID_R,K_new)满足下面的等式：3.DID_LID_RKEYTID_LID_RKEYK_oldK_newR图1改进的协议[(KEY &(B ⊕ID _R )&(A ⊕ID _L ))2mod M ]k 如果存在，则进行步骤（4）；如果不存在，则检查是否存在(ID _L ,ID _R ,K _old )满足上面的等式，若找到，则用(ID _L ,ID _R ,K _old )来代替(ID _L ,ID _R ,K _new )进行步骤（4），否则标签是伪造的，协议终止。