基于CPU卡的RFID标签安全技术研究

摘要

无线射频识别（Radio Frequency Identification）技术是一种利用电磁波信号对特定目标自动识别并与之进行通信的技术。RFID射频终端通过向标签发送射频信号，自动识别、选定标签，并获取标签内存储的数据和用户信息。采用RFID技术的标签有着读写数据速度快、携带方便、可重复擦写次数高等优点，因此该技术在自动化控制领域有着越来越广泛的应用。但是随着破解技术的不断更新，RFID技术安全性问题也越来越凸显。因此对RFID标签系统安全性技术的研究与改进在实际生产生活中有着重要意义。 搭载COS系统的CPU卡相比传统的逻辑加密卡有着更加强大的数据存储和处理功能并且可根据实际的项目需求集成相应的软硬件模块，因此其安全等级和可靠性均有显著提高，使用范围也越来越广泛。本文的研究正是基于非接触式CPU卡搭建的RFID标签系统，并对如何提高该标签系统的安全性进行论证和改进，RFID防伪标签系统由防伪标签、接口设备（读卡器、发行器）以及上位机组成。该标签系统可以应用于印章防伪、金融交易、军事场所的身份识别等需要高度安全级别的领域。为了实现以上目的，在接口设备的设计中，采用以STM32F103作为微处理器，以ARM-Cotex-M3作为内核的嵌入式系统，在移植uC/OS-II操作系统的基础上，编写读写卡器程序，实现对标签文件的创建和读取操作。同时开发芯片COS系统，设计用户数据以文件形式存放。通过对COS系统中的文件结构进行优化，以达到对数据安全存储的目的。 COS系统的主要功能除了最基础的数据读写外，还包括实现标签与读写设备间的初始化和防冲突操作、文件系统的建立、密钥系统的管理等。除此之外，为了提升数据在信道中传输的安全性，利用改进的基于模式控制字符串的数据传输方式，用户可根据自己的需求来配置不同的传输模式，从而达到加强数据传输安全的目的。并且利用芯片上集成的随机数发生器和SM4加密模块进行混合加密，以产生当次交易的传输密钥并完成系统的双向认证。通过以上设计可有效提高数据传输和加密的安全性。 最后，配合开发的读写设备和上位机软件对COS系统进行测试，验证上述设计内容的改良效果。本论文所做的研究和工作对智能卡操作系统的开发及相应的安全性改进具有一定的借鉴意义。

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摘要

ABSTRACT

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1RFID射频识别技术的发展历程

1.2基于CPU卡的RFID标签国内外研究现状

1.3RFID标签安全技术发展趋势

1.4选题背景与意义

1.5本文研究的内容

第二章RFID标签系统整体框架概述

2.1RFID标签系统组成及工作原理

2.1.1基于CPU卡的RFID标签使用和功能介绍

2.1.2标签生命周期

2.2RFID系统协议标准

2.3应用协议数据单元

2.4COS文件系统

2.4.1标准COS系统的组成

2.4.2改进的COS文件系统

2.5本章小结

第三章RFID标签数据传输安全方法的设计

3.1RFID标签安全体系的介绍

3.1.1RFID标签所面对的安全威胁

3.1.2标签的物理安全

3.1.3标签的逻辑安全

3.2传统的RFID标签数据传输方式

3.3改进的基于模式控制字符串的数据传输方式

3.3.1模式控制字符串特点

3.3.2基本文件读、写命令模式控制字符串

3.3.3模式控制字符串使用方式

3.3.4模式控制字符串的使用举例和实测说明

3.4本章小结

第四章基于CPU卡的RFID标签系统的硬件电路设计

4.1标签芯片

4.2存储器组织

4.2.1程序存储器介绍

4.2.2利用程序存储器硬件特性对数据存储安全性的改进

4.3射频接口

4.4接口设备器件选择及电路设计

4.4.1STM32F103处理器

4.4.2RFID读写模块

4.4.3ZigBee无线通信模块

4.4.4电源电路设计

4.5硬件电路实物图

4.6本章小结

第五章系统软件设计

5.1读写设备初始化和防冲突设计

5.2防伪标签COS设计

5.2.1数据收发模块设计

5.2.2APDU命令解析模块设计

5.2.3COS文件系统设计

5.2.4密钥管理系统设计

5.3系统认证流程设计

5.3.1外部认证

5.3.2内部认证

5.4系统整体设计

5.5标签系统文件操作设计

5.5.1标签文件创建

5.5.2标签文件读取

5.6接口设备及上位机软件设计

5.6.1读写卡器设计

5.6.2上位机软件设计

5.7本章小结

第六章RFID防伪系统测试

6.1标签系统COS功能测试

6.2SM4与随机数混合加密算法测试

6.3本章小结

第七章总结与展望

参考文献

致谢

作者简介

1.基本情况

2.教育背景

3.攻读硕士学位期间的研究成果

3.1发表学术论文

3.2参与科研项目及获奖