基于RFID技術(shù)的無線 Key 模型

　　1引言

　　隨著電子商務(wù)和網(wǎng)上銀行的普遍應(yīng)用，USBKey的安全使用成為日益關(guān)注的問題。在公司、銀行、交易所等一些公共場所，如果用戶臨時有事暫時離開而又忘記拔掉USBKey，這時非法者就有可能趁虛而入，竊取用戶隱私或者利用存儲在USBKey中的證書進(jìn)行網(wǎng)上非法交易，給用戶造成隱私泄漏和金錢損失。所以，有必要設(shè)計一種用戶可以隨身攜帶的USBKey來解決這方面的安全問題。這樣既能方便用戶，而且更加安全。本文正是在這種問題背景下設(shè)計了一種基于RFID技術(shù)的無線Key模型，并對其安全性進(jìn)行了分析。

　　2RFID安全性分析

　　RFID系統(tǒng)主要包括：電子標(biāo)簽(Tag)、讀卡器(Reader)和微型天線(Antenna)。由于集成(1)(2)的RFID系統(tǒng)實(shí)際上是一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，因此安全問題類似于計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的安全問題。一般地，RFID的安全威脅除了與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有相同之處外，還包括標(biāo)簽數(shù)據(jù)、通信鏈路和閱讀器協(xié)議三種類型的安全威脅(3)。標(biāo)簽數(shù)據(jù)的安全威脅表現(xiàn)為非法用戶可以利用合法的閱讀器或者自構(gòu)一個閱讀器，直接與標(biāo)簽進(jìn)行通信，造成標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)泄露；通信鏈路上的安全威脅主要表現(xiàn)在黑客非法截取通信數(shù)據(jù)、非法用戶通過發(fā)射干擾信號來堵塞通信鏈路、利用冒名頂替標(biāo)簽向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)以及發(fā)射特定電磁波破壞標(biāo)簽等方面；閱讀器協(xié)議安全威脅是指在閱讀器中，除中間件(4)被用來完成數(shù)據(jù)的遴選、時間過濾和管理之外，只能提供用戶業(yè)務(wù)接口，而不能提供能讓用戶自行提升安全性能的接口。

　　由此可見，如何解決RFID技術(shù)的安全缺陷成為其能否得到更大程度應(yīng)用的關(guān)鍵。而本文正是利用USBKey的操作安全性提出了一個將RFID技術(shù)與USBKey相結(jié)合的模型。

　　3無線Key模型設(shè)計

　　3.1模型設(shè)計

　　無線Key的功能實(shí)現(xiàn)需要用戶機(jī)終端、讀卡器、無線Key等硬件，其中標(biāo)簽內(nèi)嵌在無線Key內(nèi)。其模型設(shè)計如圖1所示：

圖1基于RFID技術(shù)的無線Key模型

　　讀卡器包括控制單元、射頻接口、加/解密邏輯單元和隨機(jī)數(shù)發(fā)生器四部分（5）。其中控制單元完成以下功能：與用戶機(jī)終端進(jìn)行通信；信號編碼與解碼；控制與應(yīng)答器的通信過程；以及進(jìn)行讀卡器與無線Key內(nèi)標(biāo)簽的身份認(rèn)證。射頻接口的功能是產(chǎn)生高頻發(fā)射功率以便啟動標(biāo)簽和提供能量；調(diào)制發(fā)射信號并將數(shù)據(jù)傳送給應(yīng)答器以及接受并解調(diào)應(yīng)答器高頻信號。

　　無線Key由用戶隨身攜帶，其硬件構(gòu)成如上圖所示。其中ROM單元存放的是標(biāo)簽的ID號。COS即芯片操作系統(tǒng)，是無線Key的核心，它主要實(shí)現(xiàn)控制無線Key和外界的信息交換，管理存儲器單元并在無線Key內(nèi)部完成各種命令的處理等功能。無線Key的認(rèn)證過程主要分為兩個步驟：第一步：利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽與讀卡器之間的雙向認(rèn)證；第二步：在標(biāo)簽與讀卡器進(jìn)行雙向認(rèn)證無誤后，用戶機(jī)終端提示用戶輸入PIN碼，進(jìn)行主機(jī)對用戶身份的認(rèn)證。

　　3.2協(xié)議設(shè)計

　　這里，假設(shè)讀卡器和用戶機(jī)終端數(shù)據(jù)庫的通信是在一條安全可靠的有連接信道上進(jìn)行而讀卡器和無線Key之間的通信是不安全的。并且在用戶機(jī)終端和無線Key的RAM中已經(jīng)存儲了讀卡器和無線Key雙方的證書。協(xié)議描述過程（6）（7）如下：

　　⑴當(dāng)帶有標(biāo)簽的無線Key進(jìn)入到讀卡器的作用范圍內(nèi)時，讀卡器會向應(yīng)答器發(fā)送請求。⑵應(yīng)答器產(chǎn)生響應(yīng)，并由無線Key的COS執(zhí)行一系列操作：先由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)R1并存儲到RAM單元，然后取出RAM單元中存儲的讀卡器的證書Certreader，在加/解密邏輯單元中利用讀卡器證書里的公鑰KUB對隨機(jī)數(shù)R1進(jìn)行加密。最后通過應(yīng)答器再發(fā)送給讀卡器，如圖2所示：

　　

圖2應(yīng)答器響應(yīng)并利用KUB發(fā)送R1

　?、亲x卡器射頻接口接收到信號后，讀卡器的控制單元先從用戶機(jī)終端取得自己的證書，再由加解密部件進(jìn)行解密獲得R1，接著調(diào)用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(RNG)產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)R2并存儲到用戶機(jī)終端的RAM中，然后再從用戶機(jī)終端取得無線Key的證書CertKey，在加/解密邏輯單元中執(zhí)行以下操作：首先利用自己的私鑰KRB對R1、R2進(jìn)行簽名，再利用無線Key的公鑰KUA對上一步的結(jié)果進(jìn)行加密得到數(shù)據(jù)Token1，即：Token1=EKUA(DKRB(R2||R1))。最后讀卡器通過射頻接口將Token1發(fā)送給無線Key端，如圖3所示。

　　

圖3發(fā)送Token1給無線Key

　?、葢?yīng)答器收到后，COS從RAM單元中取出讀卡器和無線Key的證書，交由加解密邏輯單元完成解密和驗(yàn)證讀卡器的過程：首先用無線Key的私鑰KRA進(jìn)行解密，接著利用讀卡器的公鑰KUB進(jìn)行驗(yàn)證，得到R1和R2并存儲R2，將通過解密得到的R1與第⑵步中存儲的R1進(jìn)行比較看是否一致。如果沒有改變，則進(jìn)行下步操作。否則標(biāo)簽進(jìn)入休眠狀態(tài)。⑸無線Key端的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生另一隨機(jī)數(shù)R3并存儲，同時從ROM中取得標(biāo)簽的ID號，利用讀卡器和無線Key的證書，將R2、R3和ID號交由加/解密邏輯單元進(jìn)行加密和簽名操作得到數(shù)據(jù)Token2，即：Token2=DKRA(EKUB(R3||R2||ID))。完成后應(yīng)答器將Token2發(fā)送給讀卡器，如圖4所示。

　　

圖4無線Key發(fā)送Token2給讀卡器

　　⑹讀卡器接收后，從用戶機(jī)終端取得讀卡器和無線Key的證書，在加解密邏輯單元中完成驗(yàn)證標(biāo)簽和得到標(biāo)簽ID號的過程：首先用無線Key的公鑰KUA進(jìn)行驗(yàn)證，再利用自己的私鑰KRB解密得到隨機(jī)數(shù)R2、R3和ID號碼。將得到的R2和ID號與存儲在用戶機(jī)終端RAM中的R2和ID號進(jìn)行比較，如果一致標(biāo)簽得到驗(yàn)證。讀卡器再將得到的R3利用自己的私鑰進(jìn)行簽名后發(fā)送給無線Key，以便無線Key接收后確認(rèn)讀卡器已收到自己的ID號。

　?、藷o線Key端應(yīng)答器收到后進(jìn)行解密，將計算得到的R3與第⑸步存儲的R3進(jìn)行驗(yàn)證比較，以確認(rèn)是正確授權(quán)的讀卡器接收了ID號。

　　至此，完成了讀卡器與標(biāo)簽之間的雙向認(rèn)證，并且讀卡器安全地獲得了標(biāo)簽的ID號，為下面進(jìn)行用戶身份的認(rèn)證提供了前提。

　?、逃脩魴C(jī)提示用戶輸入無線Key對應(yīng)的PIN碼，輸入后保存到用戶機(jī)的RAM中；同時COS調(diào)用密鑰生成器，生成一對公/私鑰，將公/私鑰存儲到無線Key的RAM單元中，并把產(chǎn)生的公鑰發(fā)送給讀卡器。

　　⑼讀卡器接收后，利用該公鑰對上一步存儲的PIN碼進(jìn)行加密并發(fā)送給應(yīng)答器。⑽應(yīng)答器接收并取出存儲在RAM中相對應(yīng)的私鑰進(jìn)行解密，得到用戶輸入的PIN碼，然后與存儲在RAM單元中的PIN碼進(jìn)行比較，驗(yàn)證用戶身份。

　　驗(yàn)證通過后，用戶就可以利用無線Key進(jìn)行網(wǎng)上交易簽名或者其它電子商務(wù)活動了。

　　4模型安全性分析

　　在虛擬的網(wǎng)絡(luò)世界，通信安全無疑是要考慮的首要問題。而對于無線Key模型，如何解決無線射頻環(huán)境中的通信成為其安全與否的關(guān)鍵。下面具體從5個方面來分析。

　?、抛x卡器與標(biāo)簽之間通信的保密性。讀卡器與標(biāo)簽都采用公鑰密碼算法(例如RSA算法)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加/解密運(yùn)算，即使被攻擊者截獲，也無法解密，有效地保證了數(shù)據(jù)在不安全信道傳輸?shù)陌踩院屯暾浴?

　?、品乐怪胤殴?。在標(biāo)簽對讀卡器認(rèn)證的過程中，讀卡器收到的R1是隨機(jī)產(chǎn)生的，下一次收到的R1是不一樣的，因此攻擊者再重放Token1給標(biāo)簽是不能通過驗(yàn)證的，同理標(biāo)簽應(yīng)答器收到的R2以及后來產(chǎn)生的R3也是如此。因此，讀卡器和標(biāo)簽都可以抵御重放攻擊。

　　⑶防止中間人攻擊。讀卡器與標(biāo)簽之間采用公鑰密碼算法有效地防止了攻擊者進(jìn)行中間人攻擊的可能。攻擊者可以獲得讀卡器和無線Key所對應(yīng)的證書，從而獲得公鑰。但是在應(yīng)答器利用讀卡器的公鑰將隨機(jī)數(shù)R1加密并發(fā)送給讀卡器后，攻擊者即使截獲，也無法解密獲得R1。

　　⑷保護(hù)隱私。在本模型中，RFID標(biāo)簽對讀卡器是有選擇性的，讀卡器取得標(biāo)簽信息之前，標(biāo)簽會對讀卡器的合法性進(jìn)行驗(yàn)證，如果讀卡器沒有通過驗(yàn)證，標(biāo)簽就認(rèn)為讀卡器是非法的，不會對讀卡器做出任何相應(yīng)。這種機(jī)制很好地保護(hù)了標(biāo)簽信息隱私的安全，非授權(quán)讀卡器是不可能取得標(biāo)簽中的信息，也不能對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

　?、煞乐筓SBKey被利用進(jìn)行非法交易。由于采用了RFID技術(shù)，用戶走出讀卡器的作用范圍后，身上隨身攜帶的無線Key自動與終端PC機(jī)斷開連接，這樣可以防止用戶因?yàn)槭韬龆沀SBKey還插在PC機(jī)USB端口上的情況。這不僅方便了用戶，而且也杜絕了不法分子冒充用戶進(jìn)行非法交易活動。

　　5總結(jié)

　　本文在對RFID安全性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出設(shè)計了基于RFID技術(shù)的無線Key模型。與單一的RFID技術(shù)應(yīng)用相比，本模型不僅充分利用了RFID技術(shù)便捷的優(yōu)點(diǎn)，而且還結(jié)合了USBKey的加密技術(shù)，使安全性和方便性得到了充分發(fā)揮。