被动电子标签身份识别中的若干问题的研究

摘要

物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一，射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是物联网中的关键技术，通过无线射频方式传输和获取相关数据，并对物体加以识别。RFID系统主要由电子标签、阅读器和后端服务器三部分组成。被动电子标签通常被贴附在物品上或嵌入物品中，对该物品或者持有者进行标识。标签作为信息的载体，在RFID系统中具有非常重要的地位，阅读器通过对标签进行身份识别，即可以知道该物品的相关特征或者持有者的个人信息。
　　 在被动电子标签的身份识别中存在一些问题，包括碰撞问题、安全问题以及搜索问题等，这些问题从一定程度上制约了电子标签的大规模应用。本课题通过对这些问题的研究，从理论上给出计算证明和相关数据，并结合被动电子标签的实际硬件和RFID标准要求，使这些理论成果可以直接在实际应用中发挥作用，解决被动电子标签在身份识别中存在的问题，促进RFID技术的应用和物联网的发展。本文针对被动电子标签身份识别中的问题进行了比较深入的研究，并取得了一系列的成果，主要研究内容和成果如下:
　　 1.对被动电子标签身份识别中涉及到的碰撞问题、安全问题以及搜索问题进行统一的描述，其中，搜索问题可以看作碰撞问题和安全问题的结合。这些问题的描述包括问题存在的场景、所要达到的目标、存在的阻碍和达到目标应该满足的要求等;
　　 2.在对电子标签防碰撞算法的研究现状进行详细的回顾及分析的基础上，提出基于临时ID的查询树电子标签防碰撞算法，从标签ID中选取字符串作为临时ID，当多个标签由于具有相同的临时ID而不可区分时，将重新选取字符串作为临时ID，给出仿真实验结果，表明该算法比查询树及其变型算法在标签平均传输比特数方面具有优势，从而提高标签识别的效率。提出带堆栈的双时隙二进制树电子标签防碰撞算法，该算法采用曼彻斯特编码，利用双时隙机制为标签预留响应时隙，减少标签发送的比特数和碰撞次数，采用堆栈的方法记录碰撞发生的位置，减少阅读器的查询次数和无用信息的重复查询，并分别从数学推导和实验结果证明所提出的算法比原始的二进制树算法在时间复杂度和通信复杂度方面都有所降低，提供了更高的标签识别性能;
　　 3.研究分析轻量级序列密码Trivium的设计，定义Trivium型移位寄存器并将其推广到k轮，证明k轮的Trivium型移位寄存器的特征多项式形如(1+x)kf(x)，定义k阶本原多项式，并给出Trivium型密码的设计准则，要求其每轮的特征多项式都为k阶本原多项式。根据该准则对Trivium算法进行改进，提出面向电子标签的轻量级序列密码Quavium，Quavium的设计基于4轮的Trivium型移位寄存器结构和k阶本原多项式，由于每轮都保持特征多项式的本原性，因此可以根据不同的应用需求采用不同寄存器长度的密码算法，实验结果表明，Quavium在硬件和软件上的性能几乎和Trivium相当，3轮甚至更少轮数的Quavium具有更佳的性能，更适用于被动电子标签的通信保密;
　　 4.分别对简单级、轻量级和超轻量级RFID身份认证协议进行研究。在简单级的RFID认证协议方面，分析典型的匿名RFID认证协议ARAP协议，对该协议进行假冒攻击，针对简单级协议对计算复杂度的要求，提出置换操作及相应的改进措施，使其可以在原协议的基础上抵抗假冒攻击;在轻量级的RFID认证协议方面，给出一个广义的3轮轻量级RFID双向认证协议框架，证明如果该框架无法抵抗假冒攻击，那么还可以对该框架进行非同步攻击，根据此定理实现对两个符合EPCC1G2标准的轻量级双向认证协议的非同步攻击，并提出相应的修正方法，改变标签响应信息的计算;在超轻量级的RFID认证协议方面，对带置换的超轻量级RFID身份认证协议RAPP协议进行分析，给出与置换运算和循环左移运算相关的性质，指出超轻量级协议中存在的漏洞，原因是标签不具有产生伪随机数的能力，因此，引入初始值机制，设计增强型带置换的超轻量级协议，并分析协议的安全性和性能;
　　 5.提出轻量级电子标签搜索协议的设计准则，并根据该准则设计了一个无需服务器的符合EPCC1G2标准的轻量级电子标签搜索协议，与其他搜索协议相比，该协议需要更少的操作类型和更低的计算复杂度，适用于被动电子标签，安全分析表明，该搜索协议满足数据完整性、实体认证性、实体匿名性和不可跟踪性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题意义及背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 标签身份识别的快速性和高效性

1．2．2 标签身份识别的安全性与隐私性

1．3 论文主要成果

1．4 论文章节安排

第二章 背景知识

2．1 射频识别技术和被动电子标签

2．2 RFID标准

2．3 概率论基础知识

2．3．1 随机变量及其分布

2．3．2 大数定律

2．4 密码学

2．4．1 密码算法

2．4．2 身份认证协议

2．5 本章小结

第三章 被动电子标签身份识别中的碰撞问题

3．1 问题描述

3．2 相关研究工作

3．3 帧时隙ALOHA防碰撞算法(FSA算法)

3．3．1 FSA算法的数学基础和系统模型

3．3．2 基本帧时隙ALOHA算法(BFSA)

3．3．3 动态帧时隙ALOHA算法(DFSA)

3．3．4 待解决问题和研究方向

3．4 基于树的防碰撞算法

3．4．1 分裂树算法

3．4．2 二进制树算法和查询树算法

3．4．3 二进制搜索算法

3．5 基于临时ID的查询树被动电子标签防碰撞算法

3．5．1 引言

3．5．2 相关工作

3．5．3 TID QTA

3．5．4 性能评估

3．6 带堆栈的双时隙二进制树被动电子标签防碰撞算法

3．6．1 引言

3．6．2 相关工作

3．6．3 带堆栈的双时隙二进制树算法

3．6．4 性能分析

3．6．5 性能评估

3．7 本章小结

第四章 被动电子标签身份识别中的安全问题

4．1 问题描述

4．2 相关研究工作

4．3 面向电子标签的轻量级序列密码算法

4．3．1 引言

4．3．2 Trivium算法

4．3．3 Trivium型序列密码的设计准则

4．3．4 对Trivium的改进

4．3．5 轻量级序列密码Quavium算法

4．3．6 Quavium的性能和安全性分析

4．4 针对简单级RFID认证协议-ARAP协议的攻击及改进

4．4．1 引言

4．4．2 背景介绍

4．4．3 ARAP协议

4．4．4 针对ARAP协议的攻击

4．4．5 改进版的ARAP协议及其安全性分析

4．5 针对一类轻量级RFID双向认证协议的非同步攻击

4．5．1 引言

4．5．2 系统模型

4．5．3 针对一类RFID身份认证协议的非同步攻击

4．5．4 对两个轻量级RFID双向认证协议的分析

4．6 增强型带置换的超轻量级RFID认证协议

4．6．1 引言

4．6．2 带置换的RFID身份认证协议(RAPP)

4．6．3 对RAPP的分析

4．6．4 增强型带置换的超轻量级RFID身份认证协议(ERAPP)

4．6．5 安全性分析

4．6．6 性能评估

4．7 本章小结

第五章 被动电子标签的搜索问题

5．1 问题描述

5．2 相关工作

5．3 轻量级被动电子标签搜索协议

5．3．1 引言

5．3．2 轻量级搜索协议

5．3．3 性能评估和安全性分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要结论

6．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢