An efficient and secure authentication protocol for RFID systems

The use of radio frequency identification (RFID) tags may cause privacy violation of users carrying an RFID tag. Due to the unique identification number of the RFID tag, the possible privacy threats are information leakage of a tag, traceability of the consumer, denial of service attack, replay attack and impersonation of a tag, etc. There are a number of challenges in providing privacy and security in the RFID tag due to the limited computation, storage and communication ability of low-cost RFID tags. Many research works have already been conducted using hash functions and pseudorandom numbers. As the same random number can recur many times, the adversary can use the response derived from the same random number for replay attack and it can cause a break in location privacy. This paper proposes an RFID authentication protocol using a static identifier, a monotonically increasing timestamp, a tag side random number and a hash function to protect the RFID system from adversary attacks. The proposed protocol also indicates that it requires less storage and computation than previous existing RFID authentication protocols but offers a larger range of security protection. A simulation is also conducted to verify some of the privacy and security properties of the proposed protocol.     

一种基于PUF的超轻量级RFID标签所有权转移协议

针对RFID标签所有权转移协议中存在的数据完整性受到破坏、物理克隆攻击、去同步攻击等多种安全隐私问题,新提出一种基于物理不可克隆函数(PUF)的超轻量级RFID标签所有权转移协议—PUROTP.该协议中标签所有权的原所有者和新所有者之间直接进行通信完成所有权转移,从而不需要引入可信第三方,主要涉及的运算包括左循环移位变换(Rot(X,Y))和异或运算($\oplus$)以及标签中内置的物理不可克隆函数(PUF),并且该协议实现了两重认证,即所有权转移之前的标签原所有者与标签之间的双向认证、所有权转移之后的标签新所有者与标签之间的双向认证.通过使用BAN(Burrows-Abadi-Needham)逻辑形式化安全性分析以及协议安全分析工具Scyther对PUROTP协议的安全性进行验证,结果表明该协议的通信过程是安全的,Scyther没有发现恶意攻击,PUROTP协议能够保证通信过程中交互信息的安全性及数据隐私性.通过与现有部分经典RFID所有权转移协议的安全性及性能对比分析,结果表明该协议不仅能够满足标签所有权转移过程中的数据完整性、前向安全性、双向认证性等安全要求,而且能够抵抗物理克隆攻击、重放攻击、中间人攻击、去同步攻击等多种恶意攻击.在没有额外增加计算代价和存储开销的同时克服了现有方案存在的安全和隐私隐患,具有一定的社会经济价值.     

基于无源超高频RFID温度标签的温度监测系统

设计一种基于无源超高频(UHF)射频识别(RFID)温度标签的温度监测系统.系统由课题组自主研发的无源超高频RFID温度标签、Speedway R220商用阅读器和上位机应用软件组成,实现了物品身份识别、温度实时测量和显示的功能.为提高温度标签的测温精度,提出了一种自适应功率匹配算法,使得天线扫描范围内的多个标签都能在最佳测温功率下测温.测试结果表明:当温度标签与阅读器天线的距离分别为0.5,1.0,1.5m时,测温误差小于±1℃.     

基于分组机制的跳跃式动态二进制防碰撞算法

在射频识别技术(Radio frequency identification, RFID)系统中, 标签碰撞的解决对于标签的快速识别极为重要. 本文提出一种基于分组机制的跳跃式动态二进制防碰撞算法(Anti-collision algorithm based on grouping mechanism and jumping dynamic binary, GJDB), 该算法通过在确定性算法中引入随机分组机制, 很好地解决了基于二进制搜索算法中, 由于标签数目不断增大所导致的识别效率降低的问题. 理论分析和仿真结果表明, GJDB算法的性能优于其他常用的标签防碰撞算法, 并且该算法对标签随机分组数目的选取具有较强的鲁棒性.     

轻量级的无线射频识别安全认证协议

针对现有无线射频识别(RFID)认证协议存在的安全缺陷,提出了一种新的轻量级RFID安全认证协议,并基于GNY逻辑给出了形式化证明。协议采用阅读器双重认证及预认证阶段刷新密钥的方法,通过在标签中添加保护密钥同步的恶意攻击标记Tm,解决了当前协议中存在的可扩展性欠佳、标签密钥更新失败导致位置跟踪和非法更新标签/服务器内部密钥造成拒绝服务(DoS)等问题,可抵抗重传、标签/阅读器假冒和通信量分析等多种恶意攻击,尤其防范来自位置隐私泄露和拒绝服务的安全威胁。分析结果表明,所提协议具有低成本、安全性高、计算复杂度低等特点,适合于标签数目较多的RFID系统。     

基于PUF的低成本RFID系统安全协议

针对低成本无线射频识别(RFID)系统存在的安全性问题,提出一种基于PUF的低成本RFID安全协议。利用PUF的物理不可克隆性识别标签的身份,并利用线性反馈移位寄存器(LFSR)产生随机系列,加密阅读器与标签之间的通信,能抵抗重放攻击、跟踪攻击、物理攻击、窃听攻击等多种攻击。在Altera DE2板上使用FPGA实现PUF和LFSR,采用Quartus II 8.0编程。实验结果证明,该协议的执行时间和门电路数量能达到低成本标签的要求。     

基于RCS的无源超高频RFID标签识别距离研究*

通过对无源超高频RFID系统中标签功率的获取、传递以及反射的研究,提出了一种基于雷达散射截面(RCS)对标签识别距离进行计算的新方法。采用高频电磁场仿真软件FEKO对不同标签天线进行建模与仿真,计算标签天线在不同负载下的RCS;再结合识别距离表达式计算该标签的最大识别距离,与标签已有的实测参数进行比较,计算结果与实际参数吻合。研究结果证实了该方法对研究标签识别性能具有很好的借鉴意义。     

无源反向散射RFID系统识别距离的影响因素分析

针对RFID技术应用的日益重要性,基于电磁场散射和微带天线理论,系统地研究了无源反向散射RFID系统识别距离的影响因数,并提出了无源反向散射RFID系统最大识别距离的计算方法。研究结果表明,天线参数直接影响系统的识别距离,其中,天线的增益、工作频率、雷达截面、品质因数、极化方式和应用环境等参数起决定性作用。研究结果对优化无源反向散射RFID系统的性能及天线设计有益。     

捕获效应下RFID标签的ABTS防冲突协议

在被动式射频识别（Radio frequency identification,RFID）系统中,即使有多个标签同时向阅读器发送信息,捕获效应也能使其中一个标签被阅读器成功识别. 而且,捕获效应还会导致标签漏读.为防止标签漏读和进一步提高捕获效应下的识别效率,我们提出一种新的防冲突协议,该协议采用自适应和分配技术来减少标签间冲突.其优点在于,可合理地分配冲突标签和隐藏标签,从而提高识别效率. 计算机仿真结果显示,在捕获效应发生的环境下,本文协议的识别效率优于现存协议.     

基于分组处理的RFID标签防碰撞算法

由于现有的确定性RFID标签防碰撞算法存在识别效率不高, 数据交换量大等问题, 提出了一种引入部分响应机制的分组式RFID标签防碰撞算法. 算法采用分组策略与部分响应相结合的方式, 读写器按一定次序依次识别每个分组内的标签, 减少了标签碰撞概率和标签识别数量; 对每个分组内的标签采取部分响应机制进行识别, 能有效减少数据通信量. 仿真结果表明, 该算法相比其他几种算法, 具有识别效率高、数据交换量小等优势.     

自适应树形分组的盲分离射频识别系统防碰撞算法

针对单天线射频识别(RFID)系统中阅读器不能同时识别多个标签造成标签识别率较低的问题,结合多天线技术及基于标签ID号序列的二叉树时隙分组提出了一种自适应树形分组的盲分离RFID系统防碰撞算法.首先根据RFID系统中天线的个数调整阅读器查询码码长并发送查询信号,将符合条件的响应标签分配到相应的时隙中,使每一个时隙中的标签数小于或者等于阅读器的天线数,满足盲源分离(BSS)的多天线系统识别标签的条件,从而达到同时且快速识别多个标签的目的.仿真结果表明,与同样采用多天线技术的基于位隙动态分组的盲分离(BSDBG)算法相比,当天线个数为4~32时,所提算法的标签识别速度提高了20%~69%,标签识别率提高了60%~88%,同时该算法复杂度低,硬件开销小,实现相对简单,有利于推广和使用.     

MIMO型RFID的传感标签盲源分离防碰撞算法

针对传感标签密集的多输入多输出型射频识别(MIMO-RFID)系统中标签同时响应导致一系列的碰撞问题,提出了一种并行识别传感标签的欠定盲分离的防碰撞算法(BFast-ICA).在快速独立分量分析(Fast-ICA)算法的基础上,采用更高阶次的迭代方法,实现碰撞传感标签信号的欠定盲分离.在分离性能和吞吐量两个方面进行性能仿真,实验结果表明:改进的防碰撞算法能够更快地分离传感标签信号;在阅读器天线数目相同的情况下,最大吞吐量比当前的盲分离标签防碰撞算法提高了40％以上.     

高效的RFID混合询问树防碰撞算法

在RFID系统中,一种有效的标签防碰撞算法是实现标签快速识别的重要方法。提出了一种高效的混合询问树算法来实现标签快速有效的识别。该算法在QT的基础上,结合时隙补偿机制,利用三位连续比特位中“1”的个数来确定标签的传输时隙,并结合动态二进制算法来减小传输时延。仿真表明,对于随机产生的标签与顺序产生的标签,该算法的识别效率分别提高了44.8%与84.7%。     

Hash-tree反碰撞算法

针对EDFSA算法标签识别效率低以及二叉树搜索需检测碰撞准确位置等问题,提出了Hash-tree反碰撞算法。分析了算法的关键问题,确定了算法策略,进行了算法设计,证明了Hash-tree反碰撞算法识别效率期望值在36.8%~100%之间,优于EDFSA算法。仿真验证表明,该算法在识别效率方面有新突破,特别是在识别大量标签时优势明显。     

基于多进制搜索的RFID防碰撞算法

多标签碰撞问题严重影响射频识别系统的识别效率.确定性树形算法作为一种主流的RFID防碰撞算法可以确保读写器正确识别其工作范围内的标签.为了克服现有树形算法的不足,提出了一种标签ID比特编码机制的多进制搜索(QAS)算法.在算法的设计中引入了标签ID比特编码机制,通过这种编码机制读写器可以实现多比特碰撞仲裁,从而减少碰撞时隙,提高识别效率.理论分析和仿真结果表明.QAS算法降低了标签识别过程中的时间复杂度和通信负载,同参考算法相比具有良好的性能.     

Secure multiple group ownership transfer protocol for mobile RFID

With the combination of mobile devices and readers in recent years, mobile Radio Frequency Identification (RFID) systems have been widely deployed in mobile identification. E-commerce, for instance, has applied many of mobile RFID’s deriving services, one of which is the transfer of a tagged item’s ownership in supply chains. However, current tag ownership transfer protocols can only transfer one tag at a time. For example, Yang et al.’s Secure Ownership Transfer Protocol is designed for low-cost lightweight RFID tags but it can only do one tag a time. For this reason, we propose a secure RFID protocol for group ownership transfer. We can transfer group(s) of tags’ ownership in one attempt. Since the two supplicants involved in ownership transfer are usually under different servers’ authorities, our protocol is designed to allow authority-crossing ownership transfer in a mobile RFID environment. Besides, it is able to assign its transfer targets and to secure against most RFID attacks.     

超高频RFID系统的CRC分组ALOHA算法优化

标签冲突增加了射频识别(RFID)系统的时间开销和能量损耗,降低了识别速度,随着标签数量的不断增加,冲突更加明显,系统性能急剧下降。为了解决RFID系统中的多标签防碰撞问题,在分析帧时隙ALOHA算法的基础上提出一种基于标签分组的帧时隙ALOHA优化算法。该算法首先通过标签自身携带的循环冗余校验(CRC) 码将标签分组,记录标签组的组号,按照组号的顺序依次识别,从而减少同时响应阅读器命令的标签数量;针对识别过程中的时隙选择冲突问题,可以通过混沌系统产生均匀分布的伪随机数,对进入识别状态的标签随机选择时隙号,使标签在一帧内选择的时隙分布更加均匀,从而减少标签碰撞的次数。与传统算法的对比实验中：当待识别标签数量相等时,优化算法识别完标签所需命令数更少,且所用命令数与标签数目呈近似线性关系;当待识别的标签数量小于256时,优化算法的标签识别速度提高率稳定在50%;当待识别的标签数量大于256时,优化算法能使标签识别速度提高率达80%。理论分析与实验结果表明,优化算法识别标签的速度更快,且随着标签数量的增加,其优势更明显。     

基于后退式二进制搜索的RFID防碰撞算法的研究

标签防碰撞技术是射频识别(RFID)系统中提高识别效率的关键技术。在对基本二进制搜索算法及其各种改进算法进行分析的基础上,提出一种基于后退式二进制搜索算法的改进算法IRBS。该算法引入标签状态计数器Rn来记录标签的状态。首先判定标签的反馈信息碰撞位,然后把最高冲突位作为标签分组的依据,联合利用前、后向搜索方法来减少标签的搜索范围。仿真结果表明,该算法能减少阅读器和标签之间的通信量,有效地提高标签的识别速度。     

增强型RFID极低限相互认证协议

针对极低限相互认证协议(M²AP)不能够抵御中间人攻击的缺点,通过对传输的信息进行一定的保护,提出了增强型极低限相互认证协议(EM²AP)。该协议通过计算标签和阅读器共享密钥的汉明权重,并根据这个值对传输的信息进行循环移位,从而有效地抵御了中间人攻击。通过BAN逻辑证明、安全分析和性能分析,表明该协议能够在维持标签低成本的同时具有较高的安全性和可靠性。     

Capture-aware Bayesian RFID Tag Estimate for Large-scale Identification

Dynamic framed slotted Aloha algorithm is one of popular passive radio frequency identification (RFID) tag anticollision algorithms. In the algorithm, a frame length requires dynamical adjustment to achieve higher identification efficiency. Generally, the adjustment of the frame length is not only related to the number of tags, but also to the occurrence probability of capture effect. Existing algorithms could estimate both the number of tags and the probability of capture effect. Under large-scale RFID tag identification, however, the number of tags would be much larger than an initial frame length. In this scenario, the existing algorithm's estimation errors would substantially increase. In this paper, we propose a novel algorithm called capture-aware Bayesian estimate, which adopts Bayesian rules to accurately estimate the number and the probability simultaneously. From numerical results, the proposed algorithm adapts well to the large-scale RFID tag identification. It has lower estimation errors than the existing algorithms. Further, the identification efficiency from the proposed estimate is also higher than the existing algorithms.