基于TH-PPM的RFID安全認(rèn)證

0 引 言
近年來，很多種RFID安全認(rèn)證的算法和協(xié)議(如Hash-Lock協(xié)議、分組加密算法)在協(xié)議層和算法層上解決RFID系統(tǒng)的安全認(rèn)證，而這些方法都假設(shè)標(biāo)簽和閱讀器之間的通信已經(jīng)被竊聽的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的保護(hù)。數(shù)字加密算法必然增加標(biāo)簽電路的復(fù)雜程度從而增加標(biāo)簽功耗，研究表明運(yùn)用3 595個(gè)與非門構(gòu)成的AES算法需要8．5μA電流才能驅(qū)動(dòng)，即使減少了加密算法的功耗和成本，加密算法的時(shí)延也不可忽視，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)加密算法需多次循環(huán)計(jì)數(shù)，且工作在低頻時(shí)鐘下，使得標(biāo)簽和閱讀器的大部分通信都浪費(fèi)在實(shí)現(xiàn)加密上。研究證明，實(shí)現(xiàn)一個(gè)AES算法需要大約995個(gè)周期，假設(shè)標(biāo)簽的時(shí)鐘是1 MHz，那么完成AES加密大約需要1μs，而Gen-2標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽只有1．6μs的時(shí)間來傳輸128位信息，可見加密算法的時(shí)延是很可觀的。
為了解決數(shù)字加密的缺點(diǎn)，人們提出多種輕量級(jí)的安全認(rèn)證(如HB，HB+，HB++協(xié)議)試圖降低標(biāo)簽的成本、功耗。在HB協(xié)議中，標(biāo)簽和閱讀器共享一個(gè)密鑰x，HB協(xié)議的流程為：閱讀器產(chǎn)生的一個(gè)隨機(jī)挑戰(zhàn)值a，并發(fā)送給標(biāo)簽；標(biāo)簽根據(jù)a和x的值，通過一系列計(jì)算后把結(jié)果發(fā)給閱讀器；閱讀器檢測結(jié)果是否符合規(guī)范；如果閱讀器對(duì)標(biāo)簽發(fā)送來的結(jié)果驗(yàn)證失敗的次數(shù)在規(guī)定的次數(shù)內(nèi)的話，標(biāo)簽就通過驗(yàn)證。HB協(xié)議雖然使電路結(jié)構(gòu)簡單化了，但不能抵抗主動(dòng)攻擊，假如攻擊者偽裝成閱讀器，傳送一個(gè)經(jīng)過修改的隨機(jī)挑戰(zhàn)值a給標(biāo)簽n次，就能夠推測出x的值。
由于HB協(xié)議的缺點(diǎn)，很多學(xué)者又對(duì)其改進(jìn)產(chǎn)生了HB+協(xié)議和HB++協(xié)議，還產(chǎn)生了一些新的協(xié)議(如Hash-Lock和Hash鏈協(xié)議)，但是都是基于Hash運(yùn)算模塊或分組加密算法，沒有減少標(biāo)簽安全認(rèn)證的成本和功耗。
由于加密算法以上缺陷，所以提出基于UWB的RFID安全認(rèn)證，這種認(rèn)證是在通信的物理層上實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)的保護(hù)，采用TH-PPM調(diào)制。TH-PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的每個(gè)標(biāo)簽采用各自特定的跳時(shí)碼，只有知道跳時(shí)碼的接收機(jī)才能解調(diào)信號(hào)。基于UWB的RFID安全認(rèn)證的優(yōu)點(diǎn)有：
(1)UWB信號(hào)的功率接近信道的噪聲功率，很難被竊聽；
(2)UWB信號(hào)不需要加密，因?yàn)槊總€(gè)標(biāo)簽都有不同的跳時(shí)碼，而跳時(shí)碼是絕對(duì)保密的；
(3)由于基于UWB的RFID安全認(rèn)證系統(tǒng)沒有加密算法的遲延使得通信遲延更短；UWB信號(hào)比窄帶信號(hào)的抗干擾性能更好，不容易阻塞和竊聽，且可實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用。

l UWB RFID安全認(rèn)證系統(tǒng)
1．1 UWB及TH-PPM
根據(jù)香農(nóng)定律，在有噪聲干擾的條件下，通信系統(tǒng)的極限傳輸速率(信道容量)可以用香農(nóng)公式表示，即：C=Blog(1+SNR)(C為信道容量；B為信號(hào)帶寬；SNR為信噪比)。由香農(nóng)公式，在信道容量不變的條件下，信噪比和信號(hào)帶寬是可以相互置換的，所以當(dāng)信噪比不變時(shí)信道容量和帶寬成正比，增加帶寬也就增加了信道容量(極限容量內(nèi))，同時(shí)減小了對(duì)信噪比的要求，擴(kuò)頻、超寬帶等寬帶通信系統(tǒng)就來源于此。