專(zhuān)利名稱(chēng)：標(biāo)簽讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間能夠安全通信的射頻識(shí)別系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種射頻識(shí)別系統(tǒng)，具體地說(shuō)是涉及一種能夠使標(biāo)簽讀寫(xiě)器和標(biāo) 簽之間安全進(jìn)行通信的射頻識(shí)別系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，各個(gè)行業(yè)正在朝著電子化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，而射頻識(shí)別RFID作為一種 非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，其識(shí)別工作 無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境的特點(diǎn)受到越來(lái)越多的企業(yè)的青睞。RFID技術(shù)可識(shí) 別高速運(yùn)動(dòng)物體，并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。但是，RFID系統(tǒng)尚沒(méi)有解決的一 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是-標(biāo)簽讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間的安全通信問(wèn)題?，F(xiàn)有的RFID系統(tǒng)中，標(biāo)簽讀寫(xiě)器 和標(biāo)簽之間采用的是無(wú)線(xiàn)通信，并且標(biāo)簽的計(jì)算能力非常有限，無(wú)法執(zhí)行需要大量計(jì)算資 源的加解密運(yùn)算，因此通常認(rèn)為該信道是不安全的，而標(biāo)簽讀寫(xiě)器和后端數(shù)據(jù)庫(kù)之間的通 信可以看成是安全的。一般來(lái)說(shuō)，標(biāo)簽讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間的通信要滿(mǎn)足機(jī)密性雙方通信的信息不被未經(jīng)授權(quán)的第三方讀出。認(rèn)證性開(kāi)始正式通信之前，雙方確認(rèn)對(duì)方身份。不可追蹤性攻擊者無(wú)法根據(jù)標(biāo)簽標(biāo)識(shí)對(duì)其攜帶者進(jìn)行跟蹤。目前，有多種可以用于RFID系統(tǒng)中標(biāo)簽讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間通信的安全協(xié)議，它們 大多都是以Hash函數(shù)為基礎(chǔ)的，如Sarma等人提出的Hash-Lock協(xié)議，Weis等人提出的 隨機(jī)化Hash-Lock協(xié)議等，這些協(xié)議大都無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足RFID系統(tǒng)的三項(xiàng)安全需求機(jī)密 性、認(rèn)證性和不可追蹤性。1993年，Moti Yung等人提出了一種安全協(xié)議KryptoKnight協(xié) 議。該協(xié)議的流程如圖1所示。其中Na、Nb分別是由標(biāo)簽A和標(biāo)簽讀寫(xiě)器B生成的隨機(jī)數(shù)， MACKab(X)表示對(duì)信息X求其以Kab為密鑰的消息認(rèn)證碼(Message Authentication Code, MAC), X @ Y表示對(duì)X和Y進(jìn)行異或運(yùn)算。該協(xié)議在認(rèn)證過(guò)程中的計(jì)算量較小，并且能實(shí)現(xiàn)雙向認(rèn)證。但是由于 KryptoKnight協(xié)議并非為RFID系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，沒(méi)有考慮到RFID系統(tǒng)的具體安全需要，因此并 不完全適合用于RFID系統(tǒng)中。具體體現(xiàn)在(1)在該協(xié)議中，標(biāo)簽同時(shí)需要Hash運(yùn)算模塊和偽隨機(jī)數(shù)生成器模塊，提高了標(biāo) 簽的生產(chǎn)成本；(2)沒(méi)有采用加密技術(shù)，無(wú)法提供機(jī)密性；(3)沒(méi)有提供標(biāo)簽標(biāo)識(shí)更新機(jī)制，不能提供不可追蹤性。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠使標(biāo)簽和標(biāo)簽讀寫(xiě)器之間進(jìn)行安全通信的射 頻識(shí)別系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案本實(shí)用新型包括標(biāo)簽、標(biāo)簽讀寫(xiě)器及后端數(shù)據(jù)庫(kù)，上述的標(biāo)簽包括發(fā)射、接收模塊 和HMAC運(yùn)算模塊，且其內(nèi)部具有標(biāo)簽標(biāo)識(shí)；上述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器包括存儲(chǔ)器、控制單元、發(fā)射 和接收裝置和HMAC運(yùn)算裝置；標(biāo)簽讀寫(xiě)器與標(biāo)簽和后端數(shù)據(jù)庫(kù)通訊。[0016]上述標(biāo)簽中的HMAC模塊和所述標(biāo)簽讀寫(xiě)器中的HMAC裝置均為用于消息認(rèn)證的帶 密鑰的Hash運(yùn)算電路，其主要由Hash運(yùn)算模塊和異或運(yùn)算器構(gòu)成。上述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器中包括DSP抗干擾組件。上述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器為便攜式標(biāo)簽讀寫(xiě)器。上述標(biāo)簽讀寫(xiě)器通過(guò)通訊口與后端數(shù)據(jù)庫(kù)通訊。上述的通訊口包括USB接口、串口、移動(dòng)通信接口、互聯(lián)網(wǎng)Internet、藍(lán)牙中的任 何一種或幾種方式的組合。采用上述技術(shù)方案的本實(shí)用新型，由標(biāo)簽、標(biāo)簽讀寫(xiě)器及其后端數(shù)據(jù)庫(kù)組成，簡(jiǎn)化 了其硬件結(jié)構(gòu)，其具體的有益效果包括(1)標(biāo)簽及標(biāo)簽讀寫(xiě)器中的HMAC運(yùn)算電路只需要Hash運(yùn)算模塊，不需要使用偽隨 機(jī)數(shù)發(fā)生器，降低了標(biāo)簽成本；(2)在認(rèn)證的過(guò)程中，通信雙方協(xié)商出會(huì)話(huà)密鑰，代替共享密鑰Kab對(duì)后續(xù)通信進(jìn) 行加密，避免了共享密鑰Kab過(guò)多的暴露；(3)使用會(huì)話(huà)密鑰和異或運(yùn)算提供通信中消息的機(jī)密性；(4)每次認(rèn)證完成后，更新雙方共享密鑰Kab，保證其機(jī)密性；(5)通信完成后，改變標(biāo)簽標(biāo)識(shí)，以實(shí)現(xiàn)不可追蹤性?？傊緦?shí)用新型可以滿(mǎn)足RFID系統(tǒng)的機(jī)密性、認(rèn)證性和不可追蹤性三項(xiàng)安全需 求，并且需要的硬件資源和計(jì)算資源很少。由于本實(shí)用新型具有上述的特點(diǎn)，所以可以應(yīng)用 于各個(gè)行業(yè)如圖書(shū)館的圖書(shū)管理系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)等等。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中KryptoKnight協(xié)議的流程圖；圖2為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型中通信協(xié)議的流程圖；圖4為本實(shí)用新型中HMAC算法的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
如圖2所示，本實(shí)用新型包括標(biāo)簽、標(biāo)簽讀寫(xiě)器及其后端數(shù)據(jù)庫(kù)。標(biāo)簽接收到由標(biāo) 簽讀寫(xiě)器發(fā)出的訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求，或者標(biāo)簽主動(dòng)向標(biāo)簽讀寫(xiě)器發(fā)送標(biāo)簽標(biāo)識(shí)，標(biāo)簽讀寫(xiě)器讀取信 息并解碼后，送至控制單元進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。在本實(shí)用新型中，標(biāo)簽包括發(fā)射、接收模塊、異或運(yùn)算模塊和HMAC運(yùn)算模塊，且其 內(nèi)部具有標(biāo)簽標(biāo)識(shí)。上述的標(biāo)簽標(biāo)識(shí)可以為某一商品的識(shí)別號(hào)、或者某種信息等等。標(biāo)簽 讀寫(xiě)器包括存儲(chǔ)器、控制單元、發(fā)射和接收裝置和HMAC計(jì)算裝置，其與標(biāo)簽和后端數(shù)據(jù)庫(kù) 通訊。標(biāo)簽讀寫(xiě)器通過(guò)通訊口與后端數(shù)據(jù)庫(kù)通訊，其中通訊口包括USB接口、串口、移動(dòng)通 信接口、互聯(lián)網(wǎng)Internet、藍(lán)牙中的任何一種或幾種方式的組合，均為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 所熟知的技術(shù)。另外，上述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器可以為便攜式標(biāo)簽讀寫(xiě)器。同時(shí)為了防止電磁干擾或其 他無(wú)用信號(hào)的干擾，上述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器中還可以包括DSP抗干擾組件。上述的便攜式標(biāo)簽 讀寫(xiě)器和DSP抗干擾組件均為本領(lǐng)域普通技術(shù)所熟知的技術(shù)。[0035]如圖4所示，上述標(biāo)簽中的HMAC運(yùn)算模塊、標(biāo)簽識(shí)別器中的HMAC運(yùn)算裝置均包括 HMAC運(yùn)算電路。HMAC運(yùn)算電路主要由Hash運(yùn)算模塊和異或運(yùn)算器構(gòu)成。其中，異或器的輸 出端與Hash運(yùn)算模塊相連，第一次Hash運(yùn)算模塊將得到的數(shù)值再次送入Hash運(yùn)算模塊， 最終由第二次Hash運(yùn)算輸出HMAC值。在本實(shí)用新型中Hash運(yùn)算模塊可以采用一個(gè)即可， 第二次Hash運(yùn)算可以再次使用第一個(gè)Hash運(yùn)算所使用的模塊?；蛘?，可以采用兩個(gè)相同 的Hash運(yùn)算模塊完成該功能。本實(shí)用新型的原理是在圖3中，A代表標(biāo)簽標(biāo)識(shí)，B代表讀寫(xiě)器標(biāo)識(shí)，H(X)表示消息χ經(jīng)過(guò)Hash運(yùn)算后 的Hash值，HMAC(x，y)表示消息χ和y串聯(lián)后經(jīng)過(guò)HMAC運(yùn)算后的值，其中消息χ和y的長(zhǎng) 度均小于264位。在本實(shí)用新型中Hash運(yùn)算可以采用MD5或SHA-I算法，其中MD5和SHA-I 算法均為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的技術(shù)。kab表示標(biāo)簽讀寫(xiě)器和標(biāo)簽的共享密鑰，SK表 示會(huì)話(huà)密鑰，M為標(biāo)簽讀寫(xiě)器Reader和標(biāo)簽Tag之間交換的明文消息，(χ) y= ^表示χ 和y進(jìn)行XOR運(yùn)算。其具體的流程如下步驟1 標(biāo)簽讀寫(xiě)器通過(guò)自身的發(fā)射接收裝置向標(biāo)簽發(fā)出訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求，即Request Hello。步驟2 標(biāo)簽接收到訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求后，也通過(guò)自身的發(fā)射接收模塊發(fā)送自己的標(biāo)識(shí)A至 標(biāo)簽讀寫(xiě)器。步驟3 標(biāo)簽讀寫(xiě)器收到標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)后先在存儲(chǔ)器中對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，然后在后 端數(shù)據(jù)庫(kù)中查找對(duì)應(yīng)的共享密鑰kab，并生成會(huì)話(huà)密鑰SK，完成后發(fā)送{B，HMAC (kab, B)， (SK)H(kab+2)}給標(biāo)簽，上述的整個(gè)過(guò)程由標(biāo)簽讀寫(xiě)器的控制單元控制完成。標(biāo)簽收到由標(biāo) 簽讀寫(xiě)器發(fā)來(lái)的信息后用自己存儲(chǔ)的密鑰kab’運(yùn)算HMAC (kab’，B)，并判斷HMAC (kab，B)與 HMAC(kab ’，B)是否相等；如果相等，則標(biāo)簽通過(guò)對(duì)標(biāo)簽讀寫(xiě)器的認(rèn)證，并計(jì)算H(kab+2)，進(jìn)而 計(jì)算出會(huì)話(huà)密鑰SK ；如果HMAC (kab，B)不等于HMAC (kab’，B)，則認(rèn)證失敗，終止協(xié)議。步驟4:標(biāo)簽在自身的HAMC模塊中對(duì)收到的信息進(jìn)行處理，完成后發(fā)送{A， HMAC(kab' +1，A, SK)}給標(biāo)簽讀寫(xiě)器，標(biāo)簽讀寫(xiě)器收到后計(jì)算相應(yīng)的HMAC(kab+l，A, SK)，并 判斷其值是否與標(biāo)簽發(fā)送的相等，若相等則通過(guò)對(duì)標(biāo)簽的認(rèn)證，并確認(rèn)會(huì)話(huà)密鑰SK協(xié)商成 功。步驟5:在成功協(xié)商出會(huì)話(huà)密鑰SK后，標(biāo)簽和標(biāo)簽讀寫(xiě)器都改變共享密 鑰kab值，新的共享密鑰kab值kab_二H(kab。ld +5) H(S)，其中S表示標(biāo)簽讀寫(xiě)器和 標(biāo)簽的共享秘密，且S的值在每次認(rèn)證后遞增。后續(xù)的通信采用加密模式進(jìn)行，密文 C=(M)h(sk) = m 十丑(漲)。步驟6 通信完成后，更改標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)為A=H (A+kab) ΦH (A+S)，銷(xiāo)毀原有會(huì)話(huà)密 鑰SK，下次通信重新進(jìn)行認(rèn)證和密鑰協(xié)商。在上述的流程中，HMAC的運(yùn)算過(guò)程為H (Keyab XOR opad, H (Keyab XOR ipad，m))設(shè)定兩個(gè)固定的比特串ipad和opad，ipad為16進(jìn)制數(shù)0x36重復(fù)B次，opad為 16進(jìn)制數(shù)0x5c重復(fù)B次，其中B為HMAC中用到的Hash算法的輸入的分組長(zhǎng)度，對(duì)于MD5和SHA-I運(yùn)算，B = 64字節(jié)。為計(jì)算HMAC (m，keyab)，依次執(zhí)行下列步驟，其中m為除密鑰keyab外的消息，keyab 為通信雙方的共享密鑰。(1)如果密鑰keyab的長(zhǎng)度小于B字節(jié)，則在keyab后面添加若干個(gè)0，直到keyab 的長(zhǎng)度等于B字節(jié)為止；若密鑰keyab的長(zhǎng)度大于B字節(jié)，則先使用Hash運(yùn)算計(jì)算keyab的 Hash值，然后在該值后面添加若干個(gè)0，直到其長(zhǎng)度等于B字節(jié)為止；若密鑰keyab的長(zhǎng)度等 于B字節(jié)，直接進(jìn)入下一步；(2)將步驟(1)中計(jì)算出的B字節(jié)的密鑰值與ipad進(jìn)行XOR運(yùn)算；(3)將比特流消息m添加到步驟(2)的計(jì)算結(jié)果后面；(4)使用選定的Hash算法計(jì)算步驟(3)中輸出的比特流；(5)將步驟(1)中計(jì)算出的B字節(jié)的密鑰值與opad進(jìn)行XOR運(yùn)算；(6)將步驟(4)輸出的比特流添加到步驟(5)的計(jì)算結(jié)果后面；(7)使用選定的Hash算法計(jì)算步驟(6)中輸出的比特流，計(jì)算結(jié)果即為HMAC算 法的最終計(jì)算結(jié)果。本實(shí)用新型綜合運(yùn)用多種安全技術(shù)，如消息認(rèn)證碼、XOR運(yùn)算等，對(duì)讀寫(xiě)器和標(biāo)簽 之間的通信進(jìn)行安全保護(hù)。消息認(rèn)證碼中由于有雙方共享的密鑰的作用，可以用來(lái)進(jìn)行標(biāo) 簽和讀寫(xiě)器之間的雙向認(rèn)證，從而提供了認(rèn)證性；在密鑰頻繁變換的條件下，XOR運(yùn)算可以 作為一種加密算法對(duì)明文進(jìn)行加密，提供了機(jī)密性；在每次通信完成后，更改標(biāo)簽的標(biāo)識(shí) 號(hào)，提供了不可追蹤性。由于本實(shí)用新型對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)中的硬件和軟件都做了上述的改進(jìn)，故可較好地 應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中。在物流行業(yè)中，本實(shí)用新型可以應(yīng)用于物流過(guò)程的各個(gè)階段，包括入庫(kù) 出庫(kù)管理、運(yùn)輸過(guò)程中的定位等。標(biāo)簽讀寫(xiě)器可以是手持的便攜式讀寫(xiě)器，也可以是固定在 某個(gè)位置的讀寫(xiě)器。在出入庫(kù)管理中，可在倉(cāng)庫(kù)入口和出口處安裝標(biāo)簽讀寫(xiě)器，采用本實(shí)用新型技術(shù)， 可以安全的獲取出入庫(kù)物品的信息，同時(shí)這些信息不會(huì)被未經(jīng)授權(quán)的攻擊者獲取。在物品運(yùn)輸過(guò)程中，可以在一些關(guān)鍵地段，如高速公路出入口、臨時(shí)中轉(zhuǎn)倉(cāng)庫(kù)、港 口等處安裝標(biāo)簽讀寫(xiě)器，可以獲得物品的位置信息。采用本實(shí)用新型，可以安全的獲取出入 庫(kù)物品的信息，這些信息不會(huì)被未經(jīng)授權(quán)的攻擊者獲取，并且不會(huì)被攻擊者用來(lái)進(jìn)行跟蹤。
權(quán)利要求一種標(biāo)簽讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間能夠安全通信的射頻識(shí)別系統(tǒng)，它包括標(biāo)簽、標(biāo)簽讀寫(xiě)器及后端數(shù)據(jù)庫(kù)，其特征在于所述的標(biāo)簽包括發(fā)射、接收模塊和HMAC運(yùn)算模塊，且其內(nèi)部具有標(biāo)簽標(biāo)識(shí)；所述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器包括存儲(chǔ)器、控制單元、發(fā)射和接收裝置以及HMAC運(yùn)算裝置；所述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器與所述的標(biāo)簽和后端數(shù)據(jù)庫(kù)通訊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間能夠安全通信的射頻識(shí)別系統(tǒng)，其特 征在于所述標(biāo)簽中的HMAC運(yùn)算模塊和所述標(biāo)簽讀寫(xiě)器中的HMAC運(yùn)算裝置均為用于消息 認(rèn)證的帶密鑰的Hash運(yùn)算電路，其主要由Hash運(yùn)算模塊和異或運(yùn)算器構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間能夠安全通信的射頻識(shí)別系統(tǒng)，其特 征在于所述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器中包括DSP抗干擾組件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間能夠安全通信的射頻識(shí)別系統(tǒng)，其特 征在于所述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器為便攜式標(biāo)簽讀寫(xiě)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3或4所述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間能夠安全通信的射頻識(shí)別系 統(tǒng)，其特征在于所述標(biāo)簽讀寫(xiě)器通過(guò)通訊口與后端數(shù)據(jù)庫(kù)通訊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間能夠安全通信的射頻識(shí)別系統(tǒng)，其特 征在于所述的通訊口包括USB接口、串口、移動(dòng)通信接口、互聯(lián)網(wǎng)Internet、藍(lán)牙中的任何 一種或幾種方式的組合。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種標(biāo)簽讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間能夠安全通信的射頻識(shí)別系統(tǒng)，它包括標(biāo)簽、標(biāo)簽讀寫(xiě)器及后端數(shù)據(jù)庫(kù)，所述的標(biāo)簽包括發(fā)射、接收模塊和HMAC運(yùn)算模塊，且其內(nèi)部具有標(biāo)簽標(biāo)識(shí)；所述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器包括存儲(chǔ)器、控制單元、發(fā)射和接收裝置以及HMAC運(yùn)算裝置；所述的標(biāo)簽讀寫(xiě)器與所述的標(biāo)簽和后端數(shù)據(jù)庫(kù)通訊。采用上述技術(shù)方案的本實(shí)用新型，由標(biāo)簽、標(biāo)簽讀寫(xiě)器及其后端數(shù)據(jù)庫(kù)組成，簡(jiǎn)化了其硬件結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型可以滿(mǎn)足RFID系統(tǒng)的機(jī)密性、認(rèn)證性和不可追蹤性三項(xiàng)安全需求，并且需要的硬件資源和計(jì)算資源很少。由于本實(shí)用新型具有上述的特點(diǎn)，所以可以應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)如圖書(shū)館的圖書(shū)管理系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)等等。
文檔編號(hào)G06K17/00GK201654814SQ200920276900
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者吉星, 張濤, 李娜娜, 甘勇, 賀蕾, 金保華 申請(qǐng)人:鄭州輕工業(yè)學(xué)院